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学号 201772308 密级 硕硕 士士 研研 究究 生生 学学 位位 论论 文文 中心杆配气式潜孔冲击器动力学仿真 系统研究 中心杆配气式潜孔冲击器动力学仿真 系统研究 专业领域 机械工程 研究方向 机械系统仿真与诊断技术 研 究 生 张 晨 指导教师 涂忆柳 教授 朱 策 高级工程师 论文起止日期2018 年 9 月至 2020 年 4 月 万方数据 学号 201772308 密级 硕硕 士士 研研 究究 生生 学学 位位 论论 文文 中心杆配气式潜孔冲击器动力学仿真 系统研究 中心杆配气式潜孔冲击器动力学仿真 系统研究 专业领域 机械工程 研究方向 机械系统仿真与诊断技术 研 究 生 张 晨 指导教师 涂忆柳 教授 朱 策 高级工程师 论文起止日期2018 年 9 月至 2020 年 4 月 万方数据 Research on Dynamics Simulation System of Center Rod Valve Distribution DTH Hammer FieldMechanical Engineering Direction of StudySimulation and Diagnosis Technology of Mechanical System Graduate Student Chen Zhang SupervisorProf. Yiliu Tu、Senior Engineer. Ce Zhu School of Mechanical Engineering Yangtze University September,2018 to April,2020 万方数据 I 摘 要 由于气体钻井技术在矿山开采、油田及天然气硬岩开孔有着常规钻井液不可 比拟的优势，以高压气体为介质的潜孔冲击器凿岩技术是针对硬地层、中硬地层 极为有用的破岩采矿举措之一。气动潜孔冲击能够大幅度提高钻进效率，保证工 程质量，降低施工成本，具有显著的技术经济效益而被视为现代钻探采矿技术的 核心装备与衡量钻探采矿技术的标志之一，国内外相关行业给予了极大的重视。 目前从国内外凿岩采矿工具行业发展趋势来看，高效、节能、绿色型装备为 将来发展主动脉。而中心杆配气式潜孔冲击器不仅符合发展主旋律，又能适应中 国各种工程施工领域，是今后国内外岩土钻凿行业主要研发的对象之一。中心杆 配气式潜孔冲击器具有结构简单且钻进速率高、噪声发生在炮孔底部、适应于各 种硬度岩石和复杂岩层、钻孔直径范围广等一系列优点。 本文首先分析了中心杆配气式潜孔冲击器的机械结构及内部原理，介绍了潜 孔冲击器钻进特点、应用领域、发展背景及趋势，通过三维建模对中心杆配气式 潜孔冲击器进行了结构设计。 然后，通过对中心杆配气式潜孔冲击器配气过程和运动机理的分析，运用固 体运动学、动力学、气体动力学等相关理论，基于气体状态方程与能量方程、气 体能量平衡微分方程等，以活塞为研究对象，考虑其工况下的运动形式，建立了 潜孔冲击器的动力学模型。 最后，在活塞动力学模型基础上，开发了潜孔冲击器动力学仿真系统。软件 可根据潜孔冲击器结构，输入或改变相应参数，借助计算机软件计算，可输出潜 孔冲击器在一定工作参数下的性能参数结果，包括活塞实际行程、冲击功、冲击 频率、耗气量、冲击功率等参数。并且能对潜孔冲击器的运动过程进行动力学仿 真计算，可直接输出前后气室压力与时间及位移的关系曲线、速度轨迹及加速度 随时间变化曲线、位移轨迹随时间变化曲线，可实时通过这些曲线看到潜孔冲击 器内部每时每刻的运动状态。根据软件输出结果，得到了潜孔冲击器主要结构参 数对性能的影响规律，如潜孔冲击器活塞重量、气源压力、活塞前气室端面直径、 配气行程、配气杆直径及后气室进气通道宽度等参数。同时，还研究了潜孔冲击 器在工作过程中的携水量及最小注气量的问题，为现场实际工作提供一定指导。 本文通过对中心杆配气式潜孔冲击器进行动力学模型的建立，并编写出动力 学仿真系统，可直接对潜孔冲击器进行辅助设计和优化，极大提高了潜孔冲击器 设计优化效率，且软件界面简洁、操作简单、上手容易，对一线设计人员非常友 好，为我国潜孔冲击器的结构设计及优化奠定了良好的技术基础。 关键词关键词中心杆配气，潜孔冲击器，动力学，仿真系统 万方数据 II Abstract Because gas drilling technology has incomparable advantages in Mining and hard rock openings of oil fields and natural gas compared with conventional drilling fluid, pneumatic DTH hammer drilling technology is one of the most effective rock breaking s to deal with hard and medium hard ation. Pneumatic down the hole hammer drilling is regarded as one of the symbols of modern drilling technology and measuring drilling technology because it can greatly improve the drilling efficiency, ensure the engineering quality, reduce the construction cost and have significant technical and economic benefits. This is paid highly attention by the drilling industry home and abroad. At present, from the development trend of drilling tool industry at home and abroad, efficient, energy-saving and environmental protection products are the main theme of future development. The research and development of the center rod valve distribution DTH hammer not only meets the development conditions of the theme, but also can adapt to various engineering construction fields in China, and is also one of the main research and development topics in the future. The center rod valve distribution DTH impactor has few parts and high drilling efficiency, the noise occurs at the bottom of the blasthole, the adaptability to various hard rock and complex rock conditions, and a wide range of drilling diameter. First of all, this paper analyzes the structure and principle of the central rod valve distribution DTH hammer, introduces the drilling characteristics, application fields, development background and trend of the DTH hammer. Structural design about the central rod valve distribution DTH hammer was carried out through three-dimensional modeling. Then, the kinetic model of the DTH hammer was established based on gas state equation and energy equation, gas energy balance differential equation, etc, taking the piston as the research object and considering the of motion under its conditions, using solid kinematics, dynamics, gas dynamics and other related theories, based on the analysis of the gas distribution process and motion mechanism of the center rod valve distribution DTH hammer. At last, a dynamics simulation calculation system for DTH was developed based on the piston dynamics model. By using this software, According to the structure of the DTH hammer, or change the corresponding parameters, with the help of computer software calculation, the perance parameter results of the DTH hammer under 万方数据 III certain working parameters can be output piston actual stroke, impact energy, impact frequency, gas consumption, impact power, etc. And the movement process of the DTH hammer can be simulated and calculated, and the pressure curve, velocity trajectory, displacement trajectory curve and acceleration trajectory curve of the front and rear air chambers are drawn, through which the internal dynamic process of the hammer can be seen. According to the calculation results, the influence rules of the main structural parameters of the air hammer on the perance are found, such as the weight of the DTH hammer piston, the air source pressure, the diameter of the front end face of the piston air chamber, the air distribution stroke, the diameter of the air distribution rod and the width of the air inlet passage of the rear air chamber. At the same time, the water carrying capacity and the minimum gas injection rate of the DTH hammer in the working process are also studied, which provides some guidance for the practical work in the field. This article completed the dynamics simulation calculation system by established kinetics of the center rod valve distribution DTH hammer, the hammer can be designed and optimized, which greatly improve the efficiency of the design and optimization of the DTH hammer, the software interface is concise, simple to operate, easy to use, and very friendly to front-line designers, laying a good technical foundation for the structural design and optimization of our countrys DTH hammers. Key words Center rod valve distribution, DTH hammer, Dynamics, Simulation system 万方数据 IV 目 录 第 1 章 绪论.................................................................................................................................1 1.1 选题目的及意义.............................................................................................................1 1.2 潜孔冲击器背景.............................................................................................................2 1.3 主要研究内容、方法以及研究路线.........................................................................4 1.4 本文创新点......................................................................................................................6 1.5 本章小结...........................................................................................................................7 第 2 章 潜孔冲击器的工作原理及结构设计............................................................8 2.1 潜孔冲击器的工作原理...............................................................................................8 2.2 潜孔冲击器的结构设计要点......................................................................................9 2.3 潜孔冲击器的结构设计.............................................................................................14 2.4 本章小结.........................................................................................................................19 第三章 潜孔冲击器动力学理论研究..........................................................................20 3.1 研究假设与对象...........................................................................................................20 3.2 气体状态方程和能量方程.........................................................................................20 3.3 比焓和比热容................................................................................................................22 3.4 绝热过程方程式...........................................................................................................23 3.5 前、后气室气体充气和排气相关方程式..............................................................23 3.6 气体能量平衡微分方程.............................................................................................24 3.7 活塞运动微分方程.......................................................................................................25 3.8 潜孔冲击器性能参数计算方程................................................................................26 3.9 其他辅助计算方程.......................................................................................................27 第四章 潜孔冲击器动力学仿真系统开发...............................................................30 4.1 中心杆配气式潜孔冲击器运动过程分析..............................................................30 4.2 程序设计.........................................................................................................................39 4.3 软件简介.........................................................................................................................41 4.4 软件使用方法简介.......................................................................................................42 4.5 本章小结.........................................................................................................................54 第五章 实例仿真计算与应用..........................................................................................55 5.1 潜孔冲击器实例仿真计算分析................................................................................55 5.2 软件应用.........................................................................................................................64 万方数据 V 5.3 本章小结.........................................................................................................................66 第六章 总结与展望...............................................................................................................67 6.1 全文结论.........................................................................................................................67 6.2 不足与展望....................................................................................................................67 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 选题目的及意义 气动潜孔冲击器设备拥有悠久的历史，其主要应用在矿山工业、石油工业和 建筑行业等有需要打井的竞争性行业[1-3]。目前，对于大部分相关行业，提高钻井 效率、缩减钻井成本、提升潜孔冲击器的使用寿命为未来装备发展的主要趋势。 现阶段的气动潜孔冲击器钻进技术虽然具有钻进效率高、钻孔质量好等诸多优点 [4-8]，但伴随钻探采矿技术的不断发展，钻孔深度有向更深处发展的趋势，硬质地 层钻井难的问题逐渐显现，此类问题给钻井作业造成了极大的困难，阻碍了相关 勘探开发的脚步，极大制约经济效益。其具体存在的问题如下[8] 1作业钻速低。尤其针对深井和超深井，伴随凿钻技术的逐渐成熟以及凿钻 的迫切需求，深井及超深井为钻井作业的主要发展方向，井下地层条件会随着井 深的增加而愈加复杂。开启井眼后，在各种作用力的作用下，主要包括上覆岩石 的压力、上覆岩层产生的水平地应力与地层渗流压力及钻井液液柱压力等，此状 态下，井底岩石会出现各向压缩效应，继而，井底岩石的塑形和硬度都会随之升 高，在液柱压力的作用下岩石将会变为塑性损坏，且会导致井眼失稳。 2钻井造价高。在整个钻井勘探的过程中，钻井过程所产生的费用在总造价 中占有很大比例。目前来讲，提高机械钻速可有效减少钻井过程中产生的费用， 节约总钻井成本。 3深井井斜。井斜不仅存在极大的安全隐患而且影响钻速提高，严重时，甚 至不能按计划完成钻井使得井眼报废，从而造成一定的经济损失，解决钻井中的 井斜问题及其重要。 4水平钻井加压问题。在钻比较复杂的井时，钻压可由钻具摩阻吸收，由于 水平井井眼轨迹的特殊性，水平井段的加压随着位移的增加变得越来越困难，严 重影响钻井时效和安全，由此可在井底设置加压装置。 解决这些难题的方法一直是相关领域的研究人员一直探索的目标。气动潜孔 冲击器在解决以上难题上具有极好的优势，转速低、钻压小、井斜和循环漏失小， 撤除了井中复杂的钻具组合，极大改善了钻具磨损及受力，且缩短了钻井时间并 降低了钻井成本，具有极好的经济效益[9-24,58]。因此对气动潜孔冲击器的研究具 有建设性的意义。 一般来说，在气动潜孔冲击器的设计制造过程中，传统的做法是先实行方案 策划及论证，再开始产品设计。为验证所设计的产品，需要进行相关的实验，而 后再根据实验数据或结果对产品进行修正，再进行实验再修正，这样反复进行设 计、实验、设计使得潜孔冲击器得到所需要的性能，在这种情况下设计周期相当 长，且异常繁琐，不仅浪费人力和时间也大大增加了经济成本[25-26]。 万方数据 第 1 章 绪论 2 目前，随着计算机技术的普及，在计算机技术的辅助下进行设计开发成为产 品设计优化的主要形式，产品设计人员可结合计算机技术对潜孔冲击器进行相关 建模，模拟计算其在一定环境下的运动学或动力学特性，并根据模拟计算结果对 潜孔冲击器进行优化设计。借助计算机技术对潜孔冲击器进行动力学仿真计算研 究，来研究并揭示潜孔冲击器重要结构参数、气源压力、配气长度等对其工作性 能的影响，根据给出的结构参数计算出潜孔冲击器的主要性能参数，确保开发者 得到满足需求的潜孔冲击器，以提高企业的经济效益并降低生产成本[27-28]。 根据具体中心杆配气式潜孔冲击器结构，气动潜孔冲击器仿真计算过程会由 于其配气过程的差异而不同，其仿真计算内部过程也会产生不同。本文根据中心 杆配气式潜孔冲击器的关键性能结构参数、配气长度及气源压力针对活塞进行动 力学仿真计算，最终得出潜孔冲击器主要性能参数及相关运动状态曲线。本文围 绕中心杆配气式潜孔冲击器开展分析研究工作，根据潜孔冲击器的具体结构和运 行机理，开发中心杆配气式潜孔冲击器动力学仿真系统，并借此分析研究潜孔冲 击器配气过程及活塞运动过程，包括加速度、速度、位移等的过程；并得到主要 结构参数对潜孔冲击器的性能影响；根据性能计算结果为中心杆配气式潜孔冲击 器设计优化提供理论依据。 1.2 潜孔冲击器背景 气动潜孔冲击器作为潜孔钻机的主要组成部分及工作装备，气动潜孔冲击器 具有多种多样的分类方式，气动潜孔冲击器根据气压可以分为低风压潜孔冲击器、 中风压潜孔冲击器和高风压潜孔冲击器；根据其配气类型又可分为有阀式和无阀 式，其中无阀冲击器再分为中心杆配气、活塞配气和活塞缸体联合配气三种不同 方式。相比液动冲击器钻进方法，气动潜孔冲击技术具有极大的优势，比如单次 冲击功大、清理岩屑效果好等[29-32]。 1.2.1 潜孔冲击器国外发展现状 意大利工程师在十八世纪中期首次将压缩空气作为潜孔冲击器的动力来源， 开创了气动潜孔冲击器的新纪元[33-35]。上世纪中期开始，气动潜孔钻进技术在美 国、加拿大等地开始用于石油天然气等资源的勘探与开发，此后在各地得到得了 广泛的研究与应用[36-43]。相关专业研发人员对潜孔冲击器结构持续提升、对产品 性能进行优化，并对钎头类型、钻凿匹配、工艺方式等类别展开分析，令其最大 限度符合百般的工况条件[44-48]。 国外做潜孔冲击器非常好的公司为阿特拉斯科普柯公司和山特维克公司。 阿特拉斯科普柯公司所设计的 COP66 突出在潜孔冲击器长度和设备重量方面， COP66 型潜孔冲击器以其别致新奇的设计，与上代的 COP64 潜孔冲击器相比较， 长度削减了大概 30，设备重量降低了大致 30，从而致使潜孔冲击器在工作过 万方数据 第 1 章 绪论 3 程中对高压空气的耗损能够降低很多。安装在 COP66 型潜孔冲击器上的潜孔钎头 不仅剔除了尾部排气管，此外甚至潜孔钎头都没有中心排粉冲洗孔，凿岩过程中 所产生的岩屑是由一定压力的气体通过尾柄连接花键槽进入钎头进行冲洗并将岩 粉排出孔外。根据大量文献调研，这种结构形式的潜孔钎头不但可以提升使用寿 命，还会由于钎头重量增加而大大提升钻进速率。山特维克公司曾是世界上非常 著名的凿岩钻具制造企业，山特维克公司也同时向市场投入了自主研发的一种潜 孔冲击器，并将这款潜孔冲击器起名为 RH460 潜孔冲击器，根据大量工程使用表 明，此款潜孔冲击器具有相当好的固有性能。另外，NUMA 公司生产冲击器和钎 头，已设计出多种系列，在美国德克萨斯州，曾经创造过 5368 米井深的记录[49]。 1999 年 Kexin M [50]基于热力学和动力学过程的数学模型， 为分析潜孔冲击器 动力学参数提供了理论依据和手段。2012 年 Shin D Y[51]深入研究了潜孔冲击器的 工作机理， 并通过气动仿真模拟研究了冲击器的特性和性能。 2016 年 Hwang U K[52] 分析潜孔冲击器的结构和运动，并提出了基于仿真的标准模型，然后进行了试验 验证，进而提高了冲击器的性能。2019 年 Kim D J[53]建立了潜孔冲击器动力学模 型，对冲击器进行了数值模拟和评估，且通过实验验证了仿真模型，有效提高了 冲击器的冲击性能。 1.2.2 潜孔冲击器国内发展现状 二十世纪六十年代我国引进潜孔冲击器，七十年代我国科研人员已经自主研 发设计潜孔冲击器，其主要应用在矿山的爆破孔。从七十年代开始，国内逐渐扩 大潜孔冲击器的应用领域，从矿山爆破孔到采石场、水井、石油钻井和建筑行业 等领域。此时间出现的潜孔冲击器为第一代潜孔冲击器，但其排渣系统不能完全 直接的将岩屑吹离孔底，进而使排屑不完全造成严重的重复凿岩，阻碍了钻井效 率的提高；因其采用焊接结构，但是焊接结构即不耐冲击也不耐震动，使得其寿 命极大减小，耗费了大批原材料，而且难以修正；且其去掉逆止阀，无法凿钻水 井。目前几乎没有企业再使用此类冲击器。随着人们对生产效率提出了更高的要 求，二十世纪九十年代我国开始生产第二代潜孔冲击器，这类潜孔冲击器对配气 方式及中心排气结构等进行了改进，提高了潜孔冲击器的钻井效率。第一、二代 潜孔冲击器皆属于低气压潜孔冲击器，为了满足凿岩工况的要求和竞争激烈的市 场条件，高气压潜孔冲击器即第三代潜孔冲击器及时产生了，属于无阀式气动潜 孔冲击器，跟传统潜孔冲击器产生了质的飞跃。第三代潜孔冲击器的结构更加复 杂，且增加了压缩气体的膨胀做功，极大提高了潜孔冲击器的钻井效率。二十一 世纪初期，我国相关技术人员自主研发了新一代高气压潜孔冲击器，快冲式潜孔 冲击器即第四代潜孔冲击器，其具备如下特点将此 DHD 系列潜孔冲击器对称设 计转变为不对称设计，进而令冲击器总长缩小、外套管缩短；同时通过整改活塞 万方数据 第 1 章 绪论 4 具体形状与结构形式的方式确保冲击器所用钎头不再使用钎尾管；比此前的 DHD 系列冲击器零部件数量要少、 且其构造简便、 修缮起来比较方便快捷 ； 此外， 比 DHD 系列冲击器的冲击频率还要高、其能量损耗小、气和油的损耗又相当低。如今而 言，气动潜孔冲击器正向无阀式发展，其降低了能量利用率，减少了气流损失 [54-55]。 2002 年熊青山[56]开发出多功能无阀式气动潜孔冲击器设计软件，找出了一种 新的优化结构参数方法，并利用软件设计了一套中风压潜孔冲击器。2006 年，刘 权萍[50]对潜孔冲击器的工作机理进行了研究，并建立了潜孔冲击器数学模型，对 潜孔冲击器的内部运动过程进行了计算机仿真。2006 年张新华[57]设计了一种新型 潜孔冲击器，结合了潜孔冲击器与气动凿岩机，并运用 MATLAB 软件对此潜孔冲 击器进行了仿真电算。2011 年刘小军[58]设计了一种自回转型定向潜孔冲击器，并 结合仿真软件及计算机技术对其进行了仿真计算分析，并讨论了结构参数、初始 条件等对其性能变化的影响。2011 年叶永盛[59]开发出潜孔冲击器仿真电算软件， 用于指导潜孔冲击器进行设计。 2018 年刘宝林[60]利用 AMESim 软件针对无阀式双 作用潜孔冲击器建立了仿真模型并进行了仿真分析，为其优化设计提供了理论依 据。 2019 年魏俊[43]采用 Matlab 程序针对反循环潜孔冲击器建立了动力学模型并进 行了仿真电算。 1.3 主要研究内容、方法以及研究路线 1.3.1 主要研究内容 本文对潜孔冲击器进行了全面和细致的调研及研究，查阅了足量的相关文献 资料。 1针对气动潜孔冲击器动力学及性能计算分析系统、气动潜孔冲击器的发展 背景和应用进行研究调查，分析中心杆配气式潜孔冲击器结构特点及工作原理， 整理相关数据及资料。 2分析中心杆配气式潜孔冲击器的工作特性及结构，确定其主要结构参数。 3针对中心杆配气式潜孔冲击器的活塞运动规律建立动力学数学模型，利用 MATLAB 对活塞的动力学过程进行模拟研究，获得潜孔冲击器的性能参数及相应 的前后气室压力、活塞位移、活塞速度等参数。 4研究分析重要参数对中心杆配气式潜孔冲击器工作性能参数的影响规律， 并对中心杆配气式潜孔冲击器进行设计优化，来让潜孔冲击器拥有比较好的冲击 性能，有效提高潜孔冲击器的冲击功、冲击频率和冲击功率，并使冲击器的耗气 量有所降低。 5利用 C编程开发潜孔冲击器仿真电算软件，并针对几款常见中心杆配气式 潜孔冲击器进行实例计算，确保计算软件通用型比较强。 万方数据 第 1 章 绪论 5 1.3.2 研究方法 1首先分析中心杆配气式潜孔冲击器的工作原理及结构参数，由具体情况建 立计算模型的假设条件，根据结构分析模拟仿真计算的边界条件。 2根据相关运动学、动力学、气体热力学、气体动力学等知识，推导出潜孔 冲击器运行过程中所涉及的数学模型以及其性能参数的数学表达式等。 3中心杆配气式潜孔冲击器的性能参数主要包括活塞实际行程、冲击功、冲 击频率和耗气量等。 4研究关键结构参数对潜孔冲击器整体性能的影响规律，然后基于此规律对
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