煤礦高沖擊地壓工況下高效螺旋鉆桿的失效分析及改進(jìn)

文/宋建鋒 王樹盤

高效螺旋鉆桿是煤礦防沖作業(yè)中用于探水、探瓦斯及卸壓孔作業(yè)的常用鉆具之一。由于螺旋鉆桿的加工制造比較簡單，成本比較低廉，因而對(duì)于螺旋鉆桿的研究分析工作比較少。然而，實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，螺旋鉆桿時(shí)常會(huì)由于卡鉆等原因?qū)е裸@桿脫落丟失，或發(fā)生斷裂等事故，使鉆桿和鉆頭掉落煤層中不能取出，尤其對(duì)于1000m以上的深井作業(yè)，煤礦地壓較大，塌孔和卡鉆頻繁，造成大量螺旋鉆桿掉落煤層中，給煤礦企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

基于上述現(xiàn)實(shí)狀況，對(duì)于高效螺旋鉆桿的強(qiáng)度及疲勞失效分析，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

一、結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)現(xiàn)場跟蹤,在高效螺旋鉆桿作業(yè)中造成鉆桿丟失的原因通常有兩種：一是高地壓工況加上螺旋鉆桿的高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致鉆桿之間的連接方式失效致使鉆桿掉落；二是鉆桿破壞導(dǎo)致的鉆桿掉落，此為導(dǎo)致鉆桿丟失的主要原因。

針對(duì)高效螺旋鉆桿的實(shí)際工況，構(gòu)造CAE分析模型：山東淄礦集團(tuán)下屬某煤礦在千米深井下用φ89高效螺旋鉆桿配套氣動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行卸壓孔作業(yè)，由于地壓較大、煤層較硬造成高效螺旋鉆桿頻繁斷裂。鉆桿所承受外部主動(dòng)載荷如表1所示。

表1 φ89高效螺旋鉆桿作業(yè)參數(shù)

為了分析鉆桿在實(shí)際作業(yè)中的受力情況，采用兩根鉆桿連接進(jìn)行分析，以便模擬實(shí)際鉆進(jìn)作業(yè)中鉆桿可能隨機(jī)發(fā)生彎曲，按表1對(duì)主動(dòng)鉆桿施加外部載荷，構(gòu)建模型，劃分六面體單元178743個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)306525個(gè)。為了計(jì)算疲勞壽命，按施加正反向循環(huán)載荷，模擬鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)作業(yè)及停機(jī)起動(dòng)。

二、分析結(jié)果分析

利用ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度及疲勞壽命分析，得到分析結(jié)果。如圖1為鉆桿外四方桿部受力所示，最大應(yīng)力為170MPa左右，遠(yuǎn)低于材料的屈服極限930MPa，證明鉆桿的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1外四方桿應(yīng)力分布云圖

鑒于實(shí)際作業(yè)中鉆桿連接處的橫銷孔容易發(fā)生破壞，提取其周圈應(yīng)力分布曲線如圖2所示。

圖2鉆桿連接橫銷孔周圈應(yīng)力分析等效應(yīng)力/Mpa

由圖2可以看出：作業(yè)過程中鉆桿連接處橫銷孔周圈存在應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力值達(dá)到140MPa，雖然低于材料屈服強(qiáng)度，但極有可能存在疲勞破壞的問題，按分析結(jié)果提取相同部位的疲勞壽命曲線如圖3所示。

可以發(fā)現(xiàn)鉆桿橫銷孔周圈應(yīng)力集中部位存在疲勞問題，即圖3中所示兩個(gè)壽命的低點(diǎn)。高地壓工況作業(yè)時(shí)，如果出現(xiàn)煤粉塌孔卡鉆等狀況，在反復(fù)正反轉(zhuǎn)時(shí)以及撤鉆鉆進(jìn)時(shí)會(huì)造成鉆桿連接處橫銷孔的疲勞破壞，從而出現(xiàn)斷裂情形。

圖3鉆桿連接橫銷孔周圈疲勞壽命疲勞壽命

圖4四方桿熱沖內(nèi)四方處應(yīng)力及疲勞壽命狀況

由于在高地壓工況下，外四方桿與鉆桿芯的熱沖連接處也比較容易頻繁出現(xiàn)松動(dòng)從而導(dǎo)致鉆桿報(bào)廢。因此對(duì)連接處的內(nèi)四方面進(jìn)行應(yīng)力與疲勞分析。如圖4所示為該部位的等效應(yīng)力云圖與疲勞壽命云圖。可以看出內(nèi)外四方在傳遞扭矩過程中，內(nèi)四方棱邊處（四角位置）應(yīng)力明顯較大，鉆機(jī)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以使該處應(yīng)力達(dá)到170MPa左右，如遇高地壓塌孔卡鉆無法鉆進(jìn)時(shí)，容易引起該處因疲勞導(dǎo)致松動(dòng)。

由以上分析結(jié)果可以得出：傳統(tǒng)連接方式的橫銷孔處確實(shí)存在應(yīng)力疲勞；熱沖內(nèi)四方工藝不適用于高地壓及容易卡鉆需反復(fù)正反轉(zhuǎn)工況。

三、改進(jìn)分析

針對(duì)實(shí)際工況及上述分析，對(duì)現(xiàn)有熱沖四方鉆桿進(jìn)行改進(jìn)，采用摩擦焊接及六方連接取代傳統(tǒng)的熱沖內(nèi)四方工藝以設(shè)計(jì)專門適應(yīng)于高地壓工況的高效螺旋鉆桿。同樣對(duì)其建立CAE分析模型，配套鉆機(jī)扭矩不變，以便與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行對(duì)比分析。

如圖5所示，六方面最大應(yīng)力為130MPa左右，相對(duì)于熱沖外四方的170MPa有較大幅度降低，證明六方傳遞扭矩的受力性能較四方優(yōu)越。

改進(jìn)后鉆桿同樣采用銷軸連接傳遞扭矩，但由于六方傳遞扭矩的均勻性，可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后橫銷孔周圈應(yīng)力集中在20～80MPa之間，且分布較均勻無應(yīng)力集中現(xiàn)象（如圖6），而改進(jìn)前的橫銷孔周圈應(yīng)力最大可達(dá)到前述的140MPa，且波動(dòng)范圍較大，容易產(chǎn)生循環(huán)載荷下的應(yīng)力疲勞。

圖5改進(jìn)后鉆桿外六方處應(yīng)力分布

圖6改進(jìn)前后橫銷孔周圈應(yīng)力對(duì)比等效應(yīng)力/Mpa

分別提取改進(jìn)前后鉆桿容易產(chǎn)生疲勞破壞的位置疲勞壽命樣本點(diǎn)如表2所示。

表2改進(jìn)前后疲勞壽命樣本點(diǎn)對(duì)比

對(duì)上表進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：同等工況下，樣本點(diǎn)六方摩擦焊鉆桿疲勞壽命為熱沖四方鉆桿的1.4～6.1倍，以最低疲勞壽命為例，六方鉆桿最低處為170310，四方桿最低處為57589，六方鉆桿疲勞壽命為四方鉆桿的3倍左右，疲勞壽命大幅度提高。

四、結(jié)論

通過對(duì)高地壓工況下高效螺旋鉆桿作業(yè)的實(shí)際跟蹤，結(jié)合分析軟件對(duì)傳統(tǒng)熱沖加工的高效螺旋鉆桿進(jìn)行疲勞及強(qiáng)度分析，并對(duì)傳統(tǒng)鉆桿工藝進(jìn)行了改進(jìn)，通過分析改進(jìn)前后鉆桿的疲勞壽命和強(qiáng)度，可知改進(jìn)之后鉆桿的壽命有較大提升，為鉆桿的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考意義。