基于虚拟样机技术的水平钻机仿真分析

翟群杰

(安徽省地矿局327地质队，安徽 合肥 230011)

0 引言

辐射井由大口径竖井和水平辐射管组成，早期主要用于农田水利灌溉工程、工矿企业供水工程，后被作为一种降水工程技术并得到广泛应用，尤其在电厂灰库、尾矿库[1-2]降水排渗治理中效果十分显著。水平钻机作为辐射井井下施工的特种作业设备，在水平辐射管作业中发挥着重要作用。由于需求量少，水平钻机作为非标产品，相关的设计一直很落后。本文通过建立水平钻机的虚拟样机模型，精确计算出主机的一些设计参数，为钻机的现场施工及后续的改进设计提供依据。

1 水平钻机的工作原理

为了便于井下操作，水平钻机设计一般分为动力部分和主机部分。动力部分主要为液压泵站，主机部分包括机头、机架、机尾、活塞杆、滑架、大油缸和动力头部分等。水平钻机的结构如图1所示，主机部分固定在辐射井内部，机头孔口对准需要布置辐射管的点位，大油缸带动滑架在机架上往机头方向做前进运动时，实现套管的顶进动作；大油缸带动滑架在机架上往机尾方向做前进运动时实现套管的拖拉动作。

1-机头；2-机架；3-机尾；4-大油缸；5-滑架；6-活塞杆

2 虚拟样机模型的建立

本文通过SolidWorks和ADAMS工程软件建立水平钻机的虚拟样机模型，利用软件的各自优势对其结构性能进行更深入的综合分析研究。在SolidWorks建模中，对于仿真时相对固定不动的机头、机架、机尾及附属滑板等，建模时可以合成一个为部件，其他零件按原有关系建模装配。导入ADAMS后，进一步定义系统刚体、刚体间的运动学约束条件、环境因素以及运动条件和驱动约束等。

在虚拟样机模型中，根据实际情况进行相关运动副和驱动的设置。水平钻机模型中在大油缸上设置驱动力，符合生产过程中的顶进和拖拉套管工作。在ADAMS中接触力的定义为：

其中：k为接触刚度；x为两物体间碰撞过程中的实际距离；e为非线性指数；Cmax为阻尼系数；d为击穿深度；x1为一个实常数。当x≥x1时，两物体不接触，此时碰撞力为零；当x

3 水平钻机的仿真分析

3.1 动力学建模

机械在实际工作中原动件的运动规律是由各相关构件的质量、转动惯量、驱动力和阻抗力等因素构成的，建立动力学模型可以研究外力作用下机械的真实运动规律。根据动能定理一般机械运动方程的表达式为：

其中：E为动能；N为功率；Ni、Ei分别为第i个构件的功率和瞬时动能；Fi、Mi分别为作用在第i构件上的作用力和力矩；vi为力Fi作用点的速度；ωi为第i构件的角速度；mi、Jsi分别为第i构件的质量和转动惯量；vsi为第i个构件质心的速度;αi为力与速度的夹角。

3.2 载荷的施加

为了观测一次完整的仿真分析，在油缸上定义位移约束，用油缸的前进后退行程模拟水平钻机的顶进和拖拉套管动作，具体函数为STEP(time,0,0,190,950)+STEP(time,190,0,200,-1 400)+STEP(time,200,0,480,1 400)。

4 仿真结果分析

将仿真持续时间设置为480 s，施加符合实际工况的各种约束进行一次完整的运动模拟。在ADAMS/PostProcessor中对仿真结果进行后处理分析。

图3～图6分析的是水平钻机整机固定约束在480 s仿真过程中各向的变化曲线，从图中可以看到：约束力基本稳定在12 946 N，且在X方向和Z方向几乎为0，只在重力方向(Y向)有数值，说明图2中导入分析的整个装配体模型重量为1.29 t。

图3 整机固定约束力在X方向的变化曲线

图4 整机固定约束力在Y方向的变化曲线 图5 整机固定约束力在Z方向的变化曲线 图6 整机固定约束力在仿真过程中的变化曲线

在水平钻机的实际工况中，顶进施工耗时较长，回拖施工耗时要短。假定施工过程无阻碍且匀速进行，不考虑上钻杆、卸钻杆等动作，顶进施工以280 s完成1 400 mm的行程，回拖施工以10 s完成1 400 mm的行程。图7、图8为水平钻机大油缸在480 s仿真过程中的速度和位移变化曲线，从图中可以看到:前190 s速度均匀且位移逐渐增大；190 s～200 s为回拖施工，速度和位移有显著变化；200 s～480 s为顶进施工，速度均匀且位移逐渐增大，与实际情况相符。

图9为钻机左右两个大油缸在480 s仿真过程中驱动力的变化曲线，从图中可以看到：驱动力基本稳定在1 894 N，这也就是维持上述空载作业运动仿真两个油缸所需的驱动力。本文仿真分析只考虑水平钻机的简化模型，未考虑动力头、油管等装置。后续施工现场具体分析可添加钻杆型号、套管型号、地层阻力以及施工过程中遇到的其他工况等因素。

5 结论

本文使用三维建模软件SolidWorks建立水平钻机各零部件模型并装配成整体，成功导入动力学仿真软件ADAMS中，对机构的各种性能进行测试评估和模拟仿真，分析出需要的相关数据，为类似地质机械的相关研究提供了一个新的思路。

参考文献：

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刘晓菲，周汉民.辐射式流排渗井在云南某尾矿库中的应用.有色金属，2012，64(4)：60-62．

孟宪颐，李韶岗.基于虚拟样机技术的振动冲击夯参数设计研究.系统仿真学报，2007，19(2)：326-328．

孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理.第7版.北京：高等教育出版社，2006.