冰下基巖電動(dòng)機(jī)械取心鉆具反扭裝置設(shè)計(jì)

范曉鵬，TALALAY P G，鄭治川，張楠，曹品魯，于達(dá)慧，胡正毅，楊成

(1. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春，130026; 2. 吉林大學(xué) 極地研究中心，吉林 長春，130026)

冰下基巖電動(dòng)機(jī)械取心鉆具反扭裝置設(shè)計(jì)

范曉鵬1,2，TALALAY P G1,2，鄭治川1,2，張楠1,2，曹品魯1,2，于達(dá)慧1,2，胡正毅1,2，楊成1,2

(1. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春，130026; 2. 吉林大學(xué) 極地研究中心，吉林 長春，130026)

對(duì)提供大扭矩的反扭裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)鉆頭實(shí)驗(yàn)確定反扭裝置設(shè)計(jì)參數(shù)；提出反扭裝置設(shè)計(jì)原則，建立反扭裝置力學(xué)計(jì)算模型，并對(duì)不同尖角滑刀式反扭裝置進(jìn)行理論計(jì)算，得出其徑向壓力和扭矩關(guān)系曲線，確定最佳的反扭滑刀參數(shù)；設(shè)計(jì)具有六連桿機(jī)構(gòu)的滑刀式反扭裝置，根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理，建立彈簧剛度與徑向壓力理論計(jì)算模型，并對(duì)4種剛度彈簧進(jìn)行優(yōu)選。研究結(jié)果表明：采用剛度為19.61 N/mm 的彈簧時(shí)，滑刀式反扭裝置理論上可提供73～94 N·m反扭矩，滿足冰下基巖鉆進(jìn)的需要。

反扭裝置；力學(xué)模型；扭矩；冰下基巖鉆具

獲取南極冰下甘布爾采夫山脈巖樣，對(duì)研究南極、澳洲和南美洲的形成，探索岡瓦納古大陸演化歷史具有重要的科學(xué)意義[1]。目前，雖然國際上曾經(jīng)嘗試鉆進(jìn)極地冰下基巖，并在北極格陵蘭獲取了少量樣品[2?6]，但最終鉆進(jìn)均因?yàn)殂@具結(jié)構(gòu)和工藝的限制而被迫停止，不能很好地應(yīng)用于極地冰下基巖尤其是硬巖取心鉆探中，因此必須研制新型深部冰下基巖取心鉆探系統(tǒng)，而鎧裝電纜電動(dòng)機(jī)械鉆具由于其質(zhì)量輕、效率高、能耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)成為設(shè)計(jì)的首選[7?8]。但鎧裝電纜鉆具沒有鉆桿來平衡鉆進(jìn)產(chǎn)生的扭矩，必須在鉆具上方設(shè)計(jì)專門的反扭裝置，該裝置必須產(chǎn)生足夠大的反扭矩來防止上部鉆具的反轉(zhuǎn)，保證鉆具正常鉆進(jìn)。巖心鉆探所需的扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冰層鉆進(jìn)所需的扭矩，目前國際上已有的冰鉆鉆具反扭裝置不能滿足冰下基巖鉆進(jìn)的需要，因此研制能提供大扭矩的反扭裝置就成為鎧裝電纜冰下基巖鉆具研制的關(guān)鍵技術(shù)。

1　確定反扭裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

反扭裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)為其所能提供的最大反扭矩，而該扭矩值取決于所采用的鉆頭類型。由于鎧裝電纜本身的抗拉強(qiáng)度決定了冰下基巖鉆具的自重不能太大，因此，無法提供常規(guī)金剛石鉆頭鉆進(jìn)所需的大鉆壓，必須研制能夠在小鉆壓下取得高鉆進(jìn)效率的鉆頭。

為此，針對(duì)花崗巖設(shè)計(jì)了多種類型小鉆壓鉆頭，并逐一進(jìn)行試驗(yàn)，表1所示為在相同轉(zhuǎn)速下外徑59 mm的不同類型鉆頭在不同鉆壓下的機(jī)械鉆速和扭矩。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出底唇面為齒形的孕鑲金剛石鉆頭，可獲得較高的鉆進(jìn)效率，當(dāng)鉆壓為3～4 kN時(shí)，機(jī)械鉆速為2.24～4.27 m/h，鉆進(jìn)扭矩介于28.77～37.88 N·m之間，該鉆進(jìn)工況可以滿足極地現(xiàn)場鉆進(jìn)需要。因此，確定與之配套的反扭裝置必須能夠提供不小于40 N·m的反扭矩。

表1　小鉆壓鉆頭的機(jī)械鉆速和扭矩[9]Table 1 Penetration rate and torque of small drill load drill bits[9]

2　反扭裝置設(shè)計(jì)

圖1　反扭裝置類型Fig. 1 Different types of anti-torque system

目前鎧裝電纜鉆具使用的反扭裝置主要有4種類型(見圖1)，分別是板簧式、雙葉片式、滑刀式、銑刀式[10?14]。雙葉片式和銑刀式反扭裝置不能根據(jù)孔內(nèi)工況隨時(shí)調(diào)節(jié)反扭矩，自適應(yīng)差容易出現(xiàn)孔內(nèi)事故；板簧式反扭裝置受板簧材質(zhì)和形變程度影響，提供的反扭矩較小；U形板簧式反扭裝置在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，U形板容易發(fā)生不可逆的形變，造成反扭失效等問題；相對(duì)而言滑刀式反扭裝置利用一定機(jī)構(gòu)將滑刀壓入冰層，可以提供較大的反扭矩，并且該扭矩調(diào)節(jié)方便。因此選擇滑刀式反扭裝置為可能提供大扭矩反扭裝置類型，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1反扭裝置理論計(jì)算

根據(jù)反扭裝置的工作原理，結(jié)合其與孔壁的相互作用過程可以確定反扭裝置設(shè)計(jì)的2個(gè)基本原則：1)反扭裝置提供的最大反扭矩應(yīng)該大于鉆具回轉(zhuǎn)及切削巖石所需的扭矩；2) 反扭裝置與孔壁的摩擦力應(yīng)小于鉆具自重與鉆壓之差，以使鉆具在鉆進(jìn)時(shí)可以自由下落。由于反扭裝置反扭矩以及孔壁摩擦力的產(chǎn)生均取決于反扭刀與孔壁之間徑向壓力，因此這2個(gè)基本原則確定了滑刀與孔壁之間徑向壓力的上下限。圖2所示為滑刀與孔壁接觸的受力分析圖。

圖2　滑刀與孔壁相互作用受力分析圖Fig. 2 Schematic of forces application between skates and hole wall

2.1.1滑刀與孔壁徑向壓力下限

滑刀進(jìn)入鉆孔發(fā)生形變后將對(duì)孔壁產(chǎn)生徑向壓力Fr，此壓力使滑刀刀尖壓入孔壁冰層一定深度h。

式中：σ為冰的壓入硬度，Pa；s為滑刀與孔壁的接觸面積，m2。

滑刀與孔壁的接觸面積為：

式中：h為滑刀切入孔壁的深度，m；l為滑刀與孔壁接觸部分的長度，m；θ為滑刀尖角，(°)。

由式(1)和(2)可得

當(dāng)滑刀在徑向壓力Fr作用下壓入孔壁深度為h時(shí)，滑刀能產(chǎn)生的最大反扭矩必須大于鉆具鉆進(jìn)所需的扭矩M，即：

式中：n為滑刀的數(shù)量；R為冰孔半徑，m。滑刀邊緣與孔壁之間產(chǎn)生的切向力Fc為

式中：Es為冰層單位體積破碎功，MN/mm2。

根據(jù)式(3)～(5)可得滑刀與孔壁徑向壓力應(yīng)滿足下式：

因?yàn)樵趯?shí)際鉆井中coshθ＜＜ R，式(6)可簡化為

根據(jù)式(7)，滑刀式反扭裝置所需徑向力并不取決于滑刀與孔壁的接觸長度L，而主要由冰硬度σ和單位體積切削功Es)決定。BOGORODSKY等[15]建議冰壓入硬度可按照冰單軸抗壓強(qiáng)度的3倍計(jì)算，當(dāng)冰溫為?3 ℃時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度為11.5 MPa，因此，取σ=34.5 MPa。UEDA等[16]對(duì)冰層進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)表明：在冰溫為?3 ℃時(shí)，冰的單位體積破碎功Es為5 MN/mm2。取軸向設(shè)置滑刀數(shù)量n=3，冰孔半徑為67 mm，將上述參數(shù)代入式(7)可得：

2.1.2滑刀與孔壁徑向壓力上限

為了保證鉆具正常鉆進(jìn)時(shí)可以連續(xù)下滑，同時(shí)能夠滿足冰層鉆進(jìn)對(duì)鉆壓的要求，整套鉆具受力必須滿足下式：式中：G為鉆具自重，N；kp為卸載系數(shù)(鉆孔液浮力及孔壁阻力對(duì)鉆具自重的影響)；pWOB為巖層鉆進(jìn)所需鉆壓，N；f為滑刀反扭裝置與孔壁產(chǎn)生的摩擦力，N。

根據(jù)圖2分析，滑刀反扭裝置與孔壁產(chǎn)生的摩擦力可由下式計(jì)算：

式中：μ為滑刀與孔壁之間的摩擦因數(shù)。

綜合式(9)和(10)可得滑刀與孔壁徑向壓力的上限為

取鉆具自重G=4 kN，kp=0.15，根據(jù)鉆頭試驗(yàn)取鉆壓3 kN?；杜c孔壁之間摩擦因數(shù)μ與冰面的溫度有關(guān)，冰層溫度越低，摩擦因數(shù)越大，當(dāng)冰面溫度為?4 ℃時(shí)，μ=0.02[17]。將上述取值代入式(11)得：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制不同尖角滑刀徑向壓力和所能提供反扭矩關(guān)系曲線圖，如圖3所示，表2中列出了不同尖角滑刀所允許的徑向壓力上限。

圖3　不同角度雙滑刀徑向壓力和扭矩關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between radial force and torque with different θ

表2　不同尖角θ滑刀的徑向壓力Fr最大值Table 2 Max value of Frwith different θ

由圖3可知：計(jì)算的幾種不同尖角雙刀鋒滑刀式反扭裝置在不超過最大徑向壓力時(shí)皆可提供40 N·m以上的反扭矩，可以滿足鎧裝電纜冰下基巖電動(dòng)機(jī)械取心鉆具要求，但反扭裝置在提供相同反扭矩時(shí)，滑刀尖角越大所需徑向壓力也越大。

2.2滑刀式反扭裝置機(jī)械設(shè)計(jì)

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果可知，不同度數(shù)尖角滑刀在提供相同扭矩時(shí)，角度越大，所需的徑向壓力越大，但考慮滑刀尖角太小，強(qiáng)度和壽命均較低，因此選用尖角為20°的滑刀進(jìn)行設(shè)計(jì)，滑刀長度選擇為350 mm。將上述參數(shù)代入式(8)和(10)可得尖角為20°的滑刀反扭裝置徑向壓力和下滑阻力與反扭矩關(guān)系公式為：

根據(jù)公式計(jì)算并繪制尖角為20°的滑刀反扭裝置徑向壓力和下滑阻力與反扭矩關(guān)系，如圖4所示。從圖4可看出：當(dāng)該反扭裝置徑向壓力達(dá)到最大值時(shí)，可提供反扭矩達(dá)到94 N·m，此時(shí)下滑阻力為399 N，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 尖角20°滑刀徑向壓力及下滑阻力與扭矩關(guān)系Fig. 4 Relationship between radial force and friction and torque (angle of skate is 20°)

圖5所示為設(shè)計(jì)完成的反扭裝置結(jié)構(gòu)圖。為了保證滑刀7在伸縮運(yùn)動(dòng)中的一致性，該反扭裝置滑刀設(shè)計(jì)為六連桿機(jī)構(gòu)，滑刀下支座2和滑刀中支座4固定在外管9上，調(diào)整拉桿3可在滑刀下支座2和滑刀中支座4中活動(dòng)，當(dāng)旋緊調(diào)整螺母8時(shí)，調(diào)整拉桿3向左運(yùn)動(dòng)，從而通過滑刀上支座6帶動(dòng)滑刀5向內(nèi)收縮，當(dāng)旋松調(diào)整螺母8時(shí)，滑刀上支座6在彈簧7推力作用下帶動(dòng)滑刀4向外張開。

滑刀在鉆具周向均布3個(gè)，可對(duì)鉆具起到導(dǎo)正作用。為了增加彈簧7的使用壽命，使用3個(gè)同樣的彈簧來保證滑刀的張開，同時(shí)彈簧的使用可以使滑刀對(duì)孔徑具有自適應(yīng)性，可以有效防止出現(xiàn)卡鉆事故。

圖5　滑刀式反扭裝置結(jié)構(gòu)圖[18]Fig. 5 Structure drawing of double tips skates antitorque system[18]

由于滑刀徑向壓力的施加是通過彈簧形變產(chǎn)生的，彈簧剛度的選擇對(duì)反扭裝置的性能具有很大影響，因此有必要對(duì)彈簧形變與徑向壓力關(guān)系進(jìn)行計(jì)算?；妒芰Ψ植己唸D見圖6。

圖中BF為滑刀，由于與孔壁接觸，因此受到均布載荷作用，均布載荷的合力即為徑向壓力Fr。

式中：p為均布載荷，N/m；ls為滑刀長度，m。

圖6　滑刀與彈簧受力分析圖Fig. 6 Schematic of forces application between skate and spring

桿AB，CD，EF分別為滑刀的3個(gè)支桿，支座A、C為固定約束，支座E可左右滑動(dòng)，計(jì)算中假設(shè)滑刀為剛性體，則CD桿為虛約束，不會(huì)對(duì)滑刀產(chǎn)生力的作用。對(duì)A，E點(diǎn)進(jìn)行受力分析可得：

式中：RAy和REy分別為A和E點(diǎn)在y軸方向分力，N；RAx和REx分別為A和E點(diǎn)在x軸方向分力，N；β為支桿與x軸夾角，(°)。

E點(diǎn)在x軸方向是由彈簧來進(jìn)行限位，因此，

式中：Fe為均布載荷，N；k為彈簧剛度，N/mm；Δh為彈簧形變，m。

將式(17)～(19)代入(16)可得：

由于滑刀伸縮機(jī)構(gòu)為六連桿結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)彈簧發(fā)生形變時(shí)，β也將隨之變化，圖7所示為滑刀位置變化示意圖，圖中：ABCDEF為滑刀張開最大狀態(tài)位置，此時(shí)彈簧處于原長狀態(tài)；A′B′C′D′E′F′為滑刀收縮位置，此時(shí)彈簧壓縮且壓縮量′。

圖7　滑刀移動(dòng)位置示意圖Fig. 7 Schematic diagram of skate positions

根據(jù)圖7進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，支桿EF長度為30 mm，彈簧處于原長時(shí)，β=82o，將此值代入式(21)得：

將式(20)進(jìn)行三角變換可得

將式(23)代入式(20)得

滑刀外徑可由下式計(jì)算：

式中：Dk為滑刀外徑，mm；l1為F′點(diǎn)距離滑刀外邊緣距離，根據(jù)設(shè)計(jì)l1=25 mm；l2為E′點(diǎn)距離反扭裝置中軸線距離，l2=28 mm。

根據(jù)式(23)變化得：

將式(26)及相關(guān)參數(shù)代入式(25)得：

將式(27)代入式(24)可得：

通過式(28)可計(jì)算不同剛度彈簧、不同滑刀外徑情況下滑刀對(duì)孔壁所產(chǎn)生的徑向壓力。在4種彈簧剛度條件下，對(duì)滑刀外徑與徑向壓力關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，兩者關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8　不同彈簧剛度下滑刀外徑Dk與徑向壓力Fr關(guān)系曲線Fig. 8 Relationship between Dkand Frin different springs

由于在南極甘布爾采夫山脈鉆探中，設(shè)計(jì)鉆孔直徑為134 mm，因此，圖8中主要列舉了滑刀外徑為131～141 mm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，與圖3對(duì)比可以看出：剛度為k1的彈簧，產(chǎn)生的徑向力不超過600 N，所提供反扭矩在48 N·m以下，而剛度為k3和k4的彈簧，徑向力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑刀式反扭裝置所允許的范圍，k2彈簧產(chǎn)生的徑向壓力比較適中，因此選擇剛度為k2的彈簧作為滑刀式反扭裝置用彈簧。

根據(jù)式(12)和(28)計(jì)算并繪制采用k2彈簧的20°尖角滑刀式反扭裝置工作曲線，結(jié)合孔徑和徑向壓力上限可以確定該反扭裝置的工作區(qū)域，如圖9所示。

從圖9可以看出：當(dāng)徑向壓力不超過上限值時(shí)，滑刀外徑最大可調(diào)至142 mm；根據(jù)該反扭裝置可以抵抗的反扭矩為73～94 N·m。遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆頭鉆進(jìn)需要的扭矩，可以滿足冰下基巖鉆具對(duì)反扭矩的設(shè)計(jì)需求。

圖9　采用k2彈簧的滑刀式反扭裝置工作區(qū)域Fig. 9 Working area of 20° skate antitorque system with k2spring

3　結(jié)論

1) 根據(jù)鉆頭實(shí)驗(yàn)確定鎧裝電纜冰下基巖鉆具反扭裝置設(shè)計(jì)扭矩應(yīng)高于40 N·m。

2) 建立滑刀式反扭裝置與孔壁相互作用力學(xué)模型，通過計(jì)算得出不同尖角滑刀反扭裝置徑向壓力與扭矩關(guān)系，為滑刀式反扭裝置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3) 設(shè)計(jì)了一種滑刀式反扭裝置，并依據(jù)其結(jié)構(gòu)原理對(duì)4種彈簧剛度產(chǎn)生的徑向壓力進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)選出剛度為19.61 N/mm的彈簧為該反扭裝置設(shè)計(jì)的最佳彈簧。設(shè)計(jì)的反扭裝置結(jié)構(gòu)件少，工作可靠，便于拆卸和維修。根據(jù)理論計(jì)算，其扭矩范圍可達(dá)73～94 N·m，滿足冰下基巖鉆探需要。

4) 為了測試設(shè)計(jì)的反扭裝置性能，同時(shí)檢驗(yàn)理論計(jì)算的正確性，下一步應(yīng)建立試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的反扭裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

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(編輯 趙俊)

Design of antitorque system of cable-suspended electromechanical drill for subglacial bedrock coring

FAN Xiaopeng1,2, TALALAY P G1,2, ZHENG Zhichuan1,2, ZHANG Nan1,2, CAO Pinlu1,2, YU Dahui1,2, HU Zhengyi1,2, YANG Cheng1,2
(1. College of Constructional Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China; 2. Polar Research Center, Jilin University, Changchun 130026, China)

Antitorque system with high antitorque was optimized and redesigned. The antitorque system design principle was proposed and the mathematical model was built up for calculation of its main parameters. Through theoretical calculation for double tips skates antitorque system, the dependence of radial force on torque was investigated, and the parameters of double tips skates antitorque system to provide high antitorque were obtained. A new antitorque system with six-bar mechanism was designed. The mathematical model for calculation of radial force provided by spring was built, and four kinds of spring were optimized. The results show that skates antitorque system with 19.61 N/mm spring can hold the antitorque in rang of 73?94 N·m theoretically. And these parameters can meet the requirement of armored cable-suspended electromechanical subglacial bedrock core drilling.

antitorque system; mathematical model; torque; subglacial bedrock drilling

TB64；TU472.9

A

1672?7207(2016)03?0946?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.030

2015?04?13；

2015?06?10

國家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)(41327804) (Project(41327804) supported by the Major Research Equipment Development Project)

鄭治川，博士，副教授，從事鉆探設(shè)備與器具研究；E-mail: zhengzc@jlu.edu.cn