鉆具正弦波形螺紋的成形原理及牙形分析

薛明星

摘 要：鉆具是地質(zhì)勘測中較常用的工具之一，它主要是借助螺紋旋轉(zhuǎn)，消除鉆具做功中阻力的方式進行鉆探.隨著該項技術的逐步推廣，設備逐步呈現(xiàn)出適用范圍廣、靈活度較高等特征?；诖耍疚慕Y(jié)合甘肅省地礦局第二勘查院的研究資料，著重從結(jié)合鉆具正弦波形螺紋的成形原理理論，以及鉆具的牙形結(jié)構(gòu)設計要點方面進行探究，以達到充分把握技術優(yōu)勢，實現(xiàn)地質(zhì)勘探工作高效率、高質(zhì)量完成的目的。

關鍵詞：鉆具；正弦波形螺紋原理；牙形

中圖分類號：TE921.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0074-02

0 引言

地質(zhì)勘探工具的不斷優(yōu)化，是社會資源廣泛性、深入性開發(fā)的外部條件，它不僅影響著地質(zhì)勘測項目的探索效率，也對地質(zhì)勘測成本的節(jié)約有著助推作用。而鉆具作為當代地質(zhì)環(huán)境勘測與探索中較常見的工具，自然也成為新時期技術手段優(yōu)化的代表物品，由此，由原理到設計要點的梳理分析，將為地質(zhì)勘測技術的創(chuàng)新應用提供借鑒。

1 鉆具正弦波形螺紋的成形原理及牙形研究價值

鉆具正弦波形螺紋設計，主要利用了螺旋結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)做功時，可消除垂直做功時產(chǎn)生的阻力，實現(xiàn)了高效率、低損耗的做功。隨著現(xiàn)代地質(zhì)勘探中鉆具的形式不斷變化，設備開發(fā)也來越向著人性化、靈活性的趨向轉(zhuǎn)變，為此，設別研究時必須要在鉆具設計原理和設計要點入手，綜合分析鉆具探究的有效策略，方能夠解決當前鉆具應用中的不足，優(yōu)化設計要點。

同時，鉆具正弦波形螺紋旋轉(zhuǎn)擾動變化情況，將直接對鉆具的牙形弧度，牙形行走軌跡等方面產(chǎn)生相應的影響。因而，想要更進一步實現(xiàn)鉆具在功率優(yōu)化層面取得的成績，就必須要適當?shù)倪M行螺紋設計形態(tài)的要點分析與調(diào)節(jié)。以上兩方面內(nèi)容，是從鉆具正弦波形螺紋設計問題分析與功率實踐探究的層面，對本篇文章的探究價值進行歸納。

2 鉆具正弦波形螺紋的成形原理探究

2.1 鉆具正弦波形螺紋的設計原理

正弦波形螺紋工藝，是借助圓球與螺桿的加工方法，進行加工鉆頭設計結(jié)構(gòu)。一方面，當代地質(zhì)勘測中的所用到的正弦波形螺紋鉆具，主要是以中心高，兩側(cè)與中心平行分布開的走刀設計結(jié)構(gòu)。當中心刀具進行周期旋轉(zhuǎn)時，會帶動兩側(cè)刀具螺紋平面轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)對周邊物質(zhì)的“切割”。如，正弦波形螺紋鉆具進行做功時，鉆具兩側(cè)的螺旋紋理是相同的，就像是一個對折的螺紋花朵一樣，正是正弦波形螺紋鉆具這一設計原理的體現(xiàn)。另一方面，鉆具正弦波形螺紋，是按照中心圓設計法，將圓的半徑作為外部正弦波形螺紋旋轉(zhuǎn)的長度。當中心軸在某處定點后，正弦波形螺紋鉆具以此作為定點圓心，以“固定”半徑進行旋轉(zhuǎn)做功。

結(jié)合以上對鉆具正弦波形螺紋的分析可知：為進一步優(yōu)化地質(zhì)勘探鉆具設備的強度和力度，就必須要把握正弦波形螺紋兩側(cè)旋轉(zhuǎn)強度，以及中心圓的旋轉(zhuǎn)半徑。

2.2 鉆具正弦波形螺紋的模型原理

對鉆具正弦波形螺紋的模型原理進行分析，也可以借助波形螺紋虛擬坐標法進行螺紋成型情況的探究。首先以鉆具核心區(qū)域為圓心，建立三維直角坐標系，將螺波紋圓柱旋轉(zhuǎn)運動線作為橫坐標（X），以中心螺紋旋轉(zhuǎn)半徑為縱坐標（Y），以正弦波形旋轉(zhuǎn)點，作為鉆具正弦波旋轉(zhuǎn)變化的空間坐標（Z）。當鉆具按照正弦波形螺旋做功時，就會形成相應的坐標點，而這些坐標點也就是鉆具鉆孔時，做功所走的路線。

鉆具正弦波形螺紋做功時，在虛擬坐標上對應做功的點越多，且坐標中的點左右對稱的效果越好，說明鉆具正弦波形螺紋旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的有用功也越多，損耗的也就越少。

3 鉆具正弦波形螺紋的牙形設計分析

為充分彰顯鉆具正弦波形螺紋設計優(yōu)勢，就必須要在螺旋設計結(jié)構(gòu)的要點分析時，全方位把握正弦波形螺紋的牙形設計要點。筆者將其歸納為：

3.1 正弦波牙形拐點設計分析

按照鉆具波形螺紋設計模型，我們可按照偏心量E，圓心O在圍繞X軸運動的軌跡方程表示為：y-Esinα=RsinβT（1）；Z-Ecosα=RcosβT（2）；X=BT（3）[1]。其中“B”表示螺紋沿X軸的運動速度，“α”表示螺紋中心線與坐標圓心O的連線夾角，“Z”表示曲面螺紋繞X軸運作一周后，在X軸移動上的一個螺距大小[2]。這樣，當鉆具波紋拐點與平行X軸之間保持同規(guī)律的曲線變化趨向時，則螺紋波形變化過程中，所產(chǎn)生的螺紋波形也就符合以上（1）-（3）的公式規(guī)律。若鉆具實際做功時，并不能保障螺紋波形變化與牙形函數(shù)體系之間的協(xié)調(diào)變化，則說明此時螺紋做功與螺紋運轉(zhuǎn)的趨向變化規(guī)律不同，螺紋波形牙形之間的匹配程度也相對較低，此時，鉆具做功期間所進行的有用功比例自然也較低。

若我們利用正弦螺旋波動對正弦波牙形拐點進行判斷，可將其歸納為：正弦螺旋波點的拐點變化時，必須按照F（x）=Esin（2πX/T）+R2=E2cos2（2πX/T）的順序進行計算[3]。若正弦螺旋波動牙形拐點位置，與正弦拐點計算之間的關系不相符，則正弦螺旋波動的螺旋過程，自然也就不是兩側(cè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的標準進行螺旋做功了。為避免正弦螺旋波動牙形變化時，出現(xiàn)鉆具做功損耗問題，就必須要在正弦螺旋波動鉆具設計期間，注意正弦螺旋波動的拐點變化對應情況。

3.2 正弦波螺紋牙形側(cè)角設計分析

依據(jù)正弦波形變化的規(guī)律可知：正弦波形是按照周期圓的變化規(guī)律，進行螺旋旋轉(zhuǎn)的過程。將鉆具正弦螺旋波動設計為這一形態(tài)，主要也是利用了正弦螺旋周期變化過程，不會受到周圍外部阻力的影響，而突出正弦螺旋波動變化的優(yōu)勢，以提高正弦螺紋變化的周期做功效率性。但正弦螺旋波動的變化，又主要是以立體做功形態(tài)進行正弦螺旋變化，與正弦平面圖形對比而言，立體圖形進行正弦螺旋波動情況分析時，需考慮到立體平面角度的變化，與正弦螺紋周期做功之間的關系。

首先，假定鉆具正弦螺旋波動角為S，且當S滿足sinS =TG/F（X）的規(guī)律時，說明S是鉆具做功時的最大角度[4]。其中S表示螺旋波紋與圓心周期做功之間的夾角，F(xiàn)（X）表示正弦螺紋周期旋轉(zhuǎn)的螺紋牙形變化情況。其次，計算S為正弦螺旋波動角的大小，鉆具每一次周期旋轉(zhuǎn)做功過程，均可以將其看作是一個平整的周期旋轉(zhuǎn)過程。若后續(xù)對正弦螺旋波動做功測量時，并未發(fā)現(xiàn)正弦螺旋波動角變化值有>S的，也進一步驗證了鉆具正弦螺旋波動旋轉(zhuǎn)做功過程，正處于最優(yōu)做功狀態(tài)，此時鉆具正弦螺旋波動角值最大。

3.3 正弦波牙形波峰與波谷設計分析

我們對正弦周期旋轉(zhuǎn)情況分析時，也需對正弦螺旋波動的牙形波峰與波谷情況進行探究。

3.3.1 正弦波牙形波峰分析

當正弦螺旋波動鉆具處于周期做功狀態(tài)時，牙形會在規(guī)定的周期做功范圍內(nèi)，確定一個做功最高點和做功最低點。即我們在正弦原理部分分析的最大值和最小值。我們對正弦牙形波峰變化情況分析時，必須考慮到正弦螺旋波動的變化條件。這是由于其自身并不會區(qū)分哪一個是最優(yōu)值，哪一個是最低值，而是要依據(jù)正弦螺旋波動的具體變化情況，進行相應的正弦螺旋波動值探究。由此，我們可通過假定一個具體的鉆具做功過程條件法，對其牙形波峰進行判定。如規(guī)定范圍內(nèi)正弦螺旋波動的周期判定結(jié)果與當前鉆具做功情況相互吻合，說明鉆具正弦螺旋波動的牙形處于最佳狀態(tài)；反之，說明勘測點并不是鉆具做功最佳范圍。

3.3.2 正弦波牙形波谷分析

與正弦螺旋波動的波峰分析相比，鉆具的正弦螺旋波動峰谷是一個變化范圍。即，鉆具在持續(xù)性做功過程中，按照某一特定的周期做功時，三維坐標中的正弦螺旋波動點，始終與標準波值之間存在著一些偏差。此時，說明鉆具的正弦周期旋轉(zhuǎn)點，并未按照正弦旋轉(zhuǎn)做功的一般要求進行周期做功，而是借助正弦調(diào)整值的變化，繼續(xù)進行鉆具維持性做功。因而，無論正弦做功狀態(tài)是否與實際需求相互吻合，此時都會產(chǎn)生不必要的損耗功。

3.4 正弦波牙形半徑設計分析

3.4.1 整體做功視角分析

正弦螺旋波動的牙形半徑分析，也是鉆具設計探究中需解析的內(nèi)容。從鉆具的整體做功視角而言，當正弦螺旋波動的周期與牙形設計的周期相同時，牙形周期旋轉(zhuǎn)就會在正弦螺旋設計框架內(nèi)，此時自然也就不會對正弦螺旋波動周邊區(qū)域產(chǎn)生相應的磨損。若鉆具的周期旋轉(zhuǎn)過程與正弦螺旋波動不相符合，就會出現(xiàn)局部邊緣與牙形不相符的情況。即，鉆具每一次做功時，都將會對周邊區(qū)域產(chǎn)生相應的磨損。

3.4.2 局部做功視角分析

為確保鉆具在地質(zhì)勘測過程中可準確定位、精準勘測，就必須要在對鉆具正弦波形螺紋進行分析時，對鉆具的牙形半徑進行設計要點控制。首先，鉆具內(nèi)部半徑的分析。即，以鉆具中心為基礎的，正弦波核心鉆具每周的周期旋轉(zhuǎn)做功強度探究。進行鉆具正弦波形螺紋牙形分析時，盡量將牙形設計的內(nèi)圓心周期轉(zhuǎn)動空間預留出來，這樣就可以避免鉆具正弦波形螺紋做功時，對鉆具周邊平行物體產(chǎn)生磨損了。其次，鉆具外部半徑的分析。

值得注意的是，鉆具正弦波形螺紋的外部半徑設計，需滿足外部鉆具螺紋半徑設計部分，要包括內(nèi)部半徑螺紋設計部分。否者，設計完成的鉆具正弦波形螺紋結(jié)構(gòu)，極易出現(xiàn)內(nèi)部螺紋與外部螺紋坐標定點不同，做功效果也不同的情況，損耗鉆具正弦波形螺紋做功強度。

3.5 正弦波牙形螺紋螺距設計分析

正弦波牙形螺紋的螺距設計，也是鉆具正弦波形螺紋分析的主要方面。

其一，鉆具正弦波形螺紋的螺距設計，是指鉆具兩側(cè)的波紋刀具排列情況。即，鉆具正弦波形螺紋設計時，正弦螺紋一周旋轉(zhuǎn)的螺紋調(diào)控數(shù)量，與鉆具的做功強度是否相互吻合。如，某鉆具的做功強度為10000W，則正弦波紋兩側(cè)的螺紋強度也應將兩側(cè)強度保持在10000W左右。

其二，鉆具正弦波形螺紋的螺距設計，是指兩側(cè)螺紋紋路之間預留的空間大小。一般來說，只要鉆具正弦波形螺紋的螺距滿足F（X）=Esin（2πX/T）的公式，就說明此時鉆具正弦波形螺紋的螺距設計達到了預定做功標準。否則，就無法證明正弦波牙形螺紋螺距設計，與鉆具正弦之間保持著協(xié)調(diào)的做功狀態(tài)。

即，對地質(zhì)勘測中正弦波牙形螺紋探究與分析時，不僅要考慮到鉆具設計結(jié)構(gòu)上的特征，也需考慮到正弦波牙形螺紋實際應用中做功狀況的吻合度。

4 結(jié)語

綜上所述，鉆具正弦波形螺紋的成形原理及牙形分析，是社會地質(zhì)勘探技術實踐中開發(fā)的技術要點歸納，它為社會地質(zhì)資源探究提供了研究方向。在此基礎上，本文結(jié)合鉆具正弦波形螺紋的成形設計原理和模型原理，將鉆具正弦波形螺紋牙形設計要點歸納為：正弦波牙形拐點設計分析、側(cè)角設計分析、波峰與波谷設計、半徑設計、螺紋螺距設計五方面。因此，本篇關于鉆具螺紋設計的內(nèi)容探究，將為當代地質(zhì)勘測技術方法創(chuàng)新提供探索新思路。

參考文獻

[1] 王恒，管志川，史玉才，等.柔性短節(jié)對推靠式旋轉(zhuǎn)導向底部鉆具組合造斜能力的影響分析[J].鉆采工藝，2018，41（06）：19-22+6.

[2] 王克雄，王鎮(zhèn)全，鞏立根.井下動力鉆具新型萬向軸研制及應用研究[J].鉆采工藝，2018，41（06）：83-86+10.