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潜孔冲击器非线性动力学建模

液压与气动 2023年第1期47卷 111-121页

作者：冯定赵钰孙巧雷王健刚吴何洪长江大学机械工程学院湖北荆州434023 湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心湖北荆州434023 中石化石油机械股份有限公司湖北武汉430223 苏州新锐合金工具股份有限公司江苏苏州215127

潜孔冲击器在工作过程中,气源压力进入工具中驱动活塞做高频高速的轴向往复运动,并冲击钎头使其进行破岩钻进。首先,以无缸潜孔冲击器为例,结合其结构特点分析工作原理;其次,基于计算流体力学、热力学和应力波传递相关理论,考虑气体的... 详细信息

潜孔冲击器在工作过程中,气源压力进入工具中驱动活塞做高频高速的轴向往复运动,并冲击钎头使其进行破岩钻进。首先,以无缸潜孔冲击器为例,结合其结构特点分析工作原理;其次,基于计算流体力学、热力学和应力波传递相关理论,考虑气体的压力、温度和密度的变化,分别建立了气室气体的瞬变流模型、绝热模型以及活塞的冲击回弹模型;然后,基于活塞的运动状态和气室气体状态,将潜孔冲击器1个运动周期分为11个不同阶段,结合上述3个模型和活塞的运动学方程,建立了完整的潜孔冲击器的非线性动力学模型;最后,基于该模型对实际算例进行计算。结果表明,活塞运动参数、气室压力数值变化与潜孔冲击器的工作原理与运动学规律一致。对潜孔冲击器的设计与研发提供研究基础与方法,为相关工具的动力学模型和仿真模型的建立提供参考。

关键词：潜孔冲击器计算流体力学动力学模型理论计算

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潜孔冲击器凿入系统的波动理论分析

凿岩机械气动工具 2000年第4期26卷 44-49页

作者：汪学清赵统武甘海仁山东科技大学山东泰安271019 长沙矿冶研究院湖南长沙410012

潜孔钻机是目前工程施工中主要的钻孔设备。目前在使用中 ,特别是高气压潜孔钻机经常出现冲击器活塞的早期损坏。为此。

关键词：凿入系统波动理论凿入系数残留能潜孔冲击器凿入效率

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潜孔冲击器整机参数的无因次分析

凿岩机械气动工具 1994年第1期20卷 16-21页

作者：戚靖洋张国忠东北大学

本文用无因次分析方法建立了潜孔冲击器性能参数的经验公式。利用这些经验公式可进行性能参数和结构参数的设计计算，并在已知实测性能参数的情况下，利用这些公式可评价和分析设计的质量和存在的问题。

关键词：凿岩机潜孔冲击器参数设计

潜孔冲击器活塞的有限元动态仿真模拟及疲劳寿命分析

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潜孔冲击器活塞的有限元动态仿真模拟及疲劳寿命分析

作者：萧志钰长江大学

学位级别：硕士

近年来,我国政府对基础设施建设的投入力度也非常大,由此带动了潜孔冲击器相关技术和设备的快速发展。活塞是潜孔冲击器的重要组成部件之一,潜孔冲击器寿命以及产品质量的优劣很大程度依活塞的质量及其寿命而定。目前,大多数生产厂家都... 详细信息

近年来,我国政府对基础设施建设的投入力度也非常大,由此带动了潜孔冲击器相关技术和设备的快速发展。活塞是潜孔冲击器的重要组成部件之一,潜孔冲击器寿命以及产品质量的优劣很大程度依活塞的质量及其寿命而定。目前,大多数生产厂家都是凭借经验来设计和生产制造活塞,没有科学的依据,同时,在实际工程应用的过程中,经常发生潜孔冲击器活塞断裂的问题,这个问题不仅给工程应用造成了巨大的经济损失,而且生产厂家也迫切希望优化潜孔冲击器活塞的结构参数来提高其性能。因此,对潜孔冲击器活塞断裂问题的研究是有着十分重要的现实意义。本文通过对断裂的潜孔冲击器活塞进行理化实验,应用有限元软件ANSYS的动态分析模块LS-DYNA进行了动态仿真模拟,得出了活塞最为危险的部位和应力强度因子的情况,并且结合断裂力学理论和Paris疲劳寿命公式来预测潜孔冲击器活塞的疲劳寿命。1.理化实验。针对断裂的活塞进行断口分析、化学成分分析、硬度检测、金相分析的理化实验,判定活塞的断裂属于疲劳断裂。2.无裂纹体的有限元动态仿真模拟。利用ANSYS的LS-DYNA来对活塞进行动态仿真模拟,分析结果表明,在活塞的小径倒圆角处出现了明显的应力集中的现象,该处是十分危险的位置。3.含裂纹体的有限元动态仿真模拟。结合1和2的分析,说明在小径的倒圆角出最有可能出现裂纹源,因此在此处建立裂纹体,采用奇异单元的划分方法,求得应力强度因子,并得出不用条件下应力强度因子的规律4.活塞的疲劳寿命预测。结合应力强度因子手册和Paris疲劳寿命修正公式,求得活塞的初始裂纹长度和临界裂纹长度以及裂纹扩展的门槛值,由此预测活塞在不同的工况下疲劳寿命的情况。

关键词：潜孔冲击器活塞有限元应力强度因子疲劳寿命

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潜孔冲击器钎头力学分析及结构改进

潜孔冲击器钎头力学分析及结构改进

作者：廖迪长江大学

学位级别：硕士

目前,浅层区域的露矿大多开采殆尽,矿产资源的开发逐渐转向深层区域。因此,目前的勘探作业对钻探技术及钻探工具提出了更高的要求。气动潜孔冲击器作为冲击凿岩新型工具,具备成孔质量高、钻进速度快、使用寿命长等特点,广泛应用于矿山... 详细信息

目前,浅层区域的露矿大多开采殆尽,矿产资源的开发逐渐转向深层区域。因此,目前的勘探作业对钻探技术及钻探工具提出了更高的要求。气动潜孔冲击器作为冲击凿岩新型工具,具备成孔质量高、钻进速度快、使用寿命长等特点,广泛应用于矿山爆破、水文钻凿、地质勘探、非开挖管线铺设、岩土工程及石油钻井等成孔作业中。钎头作为冲击器破岩的关键件,在现场使用过程中,经常出现掉齿、断齿、断柄、崩块等失效问题,直接导致冲击器无法正常运作,如果钎头损毁严重至掉落井下无法打捞,将严重影响现场施工进度。本文基于现场钎头的各类失效形式,考虑工作工况,从接触力学和冲击力学出发,对钎头进行力学分析和结构改进,主要内容与结论如下:基于气动冲击原理和相关理论,根据潜孔冲击器现场作业工况,分析了潜孔冲击器钎头钻刃形状、端面形状以及齿数和布齿方式,最终完成钎头几何建模。根据潜孔冲击器工作特性,对活塞进行受力分析,基于气体状态方程、活塞运动方程及气体流动理论,构建了冲击器活塞运动方程,通过分析计算得到活塞撞击钎头时的冲击速度。基于弹性杆碰撞理论,考虑弹性波传递过程中的入射波、反射波和透射波,建立了活塞撞击钎头过程中应力波传递模型,开展了碰撞过程中钎头力学响应的研究。为了选择合理的钎头齿形和边齿倾角,本文阐述岩石损伤理论和破碎机理,依据现场地貌及岩石材料属性,选择HJC模型为本文的岩石本构模型。基于赫兹接触理论,考虑合金齿破岩过程中的力学响应,分析不同齿形合金齿的力学行为;从破岩能力和使用寿命出发,进行计算与分析,选择锥型齿作为中间齿,球齿作为边齿。基于有限元分析,结合实际破岩工况,建立了边齿的力学模型,分析边齿倾角与边齿受力之间的关系,计算得到44度为齿尖应力最小的边齿倾角。针对钎头破岩过程中的边齿掉落现象,基于实际工况和边齿掉落形式,分析掉齿原因为,边齿与钎头本体齿孔间的过盈量较小,由此致使固齿力不足,导致破岩过程中岩石所致的脱齿力大于钎头本体固齿力,最终发生掉齿。基于厚壁圆筒理论,建立了过盈装配的合金齿力学模型,研究了过盈量与固齿力之间的关联关系,通过计算和分析,0.065mm为合理过盈量。本文研究内容为气动潜孔冲击器钎头的结构设计和改进提供理论支撑,为凿岩工具的设计改进提供参考。

关键词：潜孔冲击器钎头合金齿力学分析动力学仿真过盈量计算