螺旋钻采煤机钻杆振动分析

董璇璇 罗兴臣

（江苏中机矿山设备有限公司，徐州 221116）

螺旋钻采煤机钻杆振动分析

董璇璇 罗兴臣

（江苏中机矿山设备有限公司，徐州 221116）

在钻机压力的作用下，钻杆的任意位置都有发生单向振动的可能，加上孔壁的约束，导致钻杆在发生单向振动的同时，还可能发生钻杆与孔壁的接触碰撞。通过分析钻杆轴向振动和扭转振动，揭示钻进深度等因素的变化对钻杆扭转振动和轴向振动固有频率的影响规律，获知钻杆的单向振动是造成钻杆疲劳断裂的根本原因，从而对今后实际的井下安全作业提供很好的指导意义。

松软煤层 钻具 振动特性 钻进深度

引言

当前，我国中厚煤层和厚煤层机械化采煤技术快速发展，但是薄煤层特别是极薄煤层的开采技术水平却未能同步发展和进步。开采的机械化程度低，采煤效率低，安全隐患大，致使薄煤层的产量逐年下降，且与中厚煤层开采比例失调的状况日趋严重。煤矿中“采厚丢薄”现象普遍存在，各大矿务局厚、薄煤层的开采速度不相适应的矛盾越来越突出，特别是薄煤层需做解放层开采的矿井。由于薄煤层开采速度慢，造成下层煤炭资源积压，长期得不到开采，严重影响整个煤炭工业的协调发展。近年来，许多产煤国家由于厚、中厚煤层的储量日益枯竭，为提高资源回收率，对煤厚0.9m以下的薄煤层，急需解决不易开采的难题。因此，如何提高薄煤层的开采量和开采效率，对提高煤炭资源的回收率具有非常重要的战略意义和经济意义。钻杆的强烈振动对螺旋钻式采煤机钻杆的危害很大。钻杆的剧烈振动使得钻杆上连接螺纹和钻杆上的薄弱部位容易发生疲劳断裂。在施工作业过程中，钻杆的严重振动和疲劳失效一直是业内专家深入研究和亟需解决的难题。

本文通过建立钻杆ANSYS有限元模型，对钻杆进行计算和分析得出钻杆钻进过程中的一些振动特性数据，以对实际的现场操作做出合理的规范和指导，从而对钻杆和钻头进行改进或再优化设计，进一步提高钻进深度和成孔率，降低共振发生率。

1 钻杆的振动有限元分析

在钻杆的振动形式中，其单向振动的作用机理最为复杂。因为在钻机钻压和钻速不断作用下，钻杆将会因为单向振动而产生弯曲变形。在抽采钻孔时,随着钻机的不停钻进，钻杆的长度也越来越长，钻杆在其自重作用下会逐渐偏离钻杆水平中心线而产生向下破煤钻进。根据钻杆的结构连接特点及抽采钻进时的工作情况分析单向振动的受力影响，并建立有限元分析模型。

钻杆直径的不同对钻杆固有频率的影响也不同。下面以常规钻杆为例，研究随钻杆长度的改变其单向振动频率的变化情况，同时求解并提取计算数据。

表1是随钻进深度的增加其固有频率的改变情况。从表1中的结果可看出，钻杆越长其各阶固有频率越小，且各阶频率之间的差距也随着钻孔深度的增加而减小。和钻杆轴向振动相比较可以看出，单向振动频率的变化很小，且振动的振幅没有单向振动的幅值大，所以单向振动的振型变化很明显。因此，在实际生产中，应该把单向振动的分析作为较为重要的研究内容，从而为设计出更为合理的螺旋钻采煤机提供有力支持。

2 结论

通过对钻杆单向振动的有限元分析，计算出钻杆振动形式的各阶固有频率和固有振型。对计算结果进行对比分析，揭示钻杆钻进参数对其振动频率的影响情况。单向振动会造成钻杆产生振幅较高的振动，同时高钻速会引起离心力的产生，从而使钻杆偏离钻孔中心轴线，发生钻杆与煤孔壁的接触摩擦现象。综合以上对钻杆的振动分析结果，相信今后在实际钻进工作中采取合理的减振措施，制定合理的钻进工艺以及深入研究钻杆的各种振动等问题，均具有很好的指导意义。参考文献

表1 螺旋钻式采煤机钻杆单向振动的固有频率

[1]李建平，张永忠，杜长龙.螺旋钻采煤机钻具定向控制技术的研究[J].煤矿机械，2006，（8）：31-33.

[2]李建平，张永忠，杜长龙.螺旋钻采煤机钻杆的结构参数优化设计[J].煤炭科学技术，2006，（8）：8-10.

[3]王显政.煤炭工业如何应对新形势下的挑战[J].中国产业，2010，（8）：17-20.

[4]刘送永，杜长龙.ML180Y全液压螺旋钻采煤机液压系统设计

[J].煤炭科学技术，2006，（4）：26-29.

Analysis of Drill Pipe Vibration of Auger Drill

DONG Xuanxuan,LUO Xingchen

(Jiangsu China Mining Equipment Co. Ltd., Xuzhou 221116)

In under the action of the drill pressure and any position of the drill pipe is the one-way vibration may occur, and constraints the hole wall, resulting in the drill pipe in the event of a single vibration at the same time, may also contact impact of drill pipe and the wall of the hole. Through the analysis of drill pipe axial vibration and torsional vibration, reveal drilling depth changes torsional vibration and axial vibration natural frequency of the drill pipe, drill pipe was informed of the one-way vibration is root cause of fatigue fracture of drill pipe, and thus for the future actual underground an operation to provide a good guidance.

soft coal seam, drilling tool, vibration characteristics, drilling depth