GCD1500钻机冲击系统设计

高爱利　彭博

摘 要：冲击钻机广泛应用于水利、铁路、公路桥梁等工程领域，具有适用性强、结构简单、成本低、操作便捷等优点。但钻进过程中存在载荷波动大，低效高耗，緩冲弹簧断裂等问题。近些年设计研究多依靠工程经验或者公式简化，忽视了冲击机构与缓冲机构，钢丝绳-钻具-岩土系统之间的耦合度对钻机系统性能的影响，未提出完善的优化设计方法。为进一步完善冲击钻机的设计，本文以GCD1500钻机为研究对象，分析了缓冲弹簧疲劳断裂的原因，研究了缓冲机构对钻机性能的影响，并对冲击机构的结构尺寸进行了优化设计。

关键词：冲击钻机；缓冲机构；疲劳分析；四杆冲击机构；优化设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.009

根据在冲击循环过程中缓冲弹簧的应力响应，进行疲劳分析；缓冲弹簧提前受损断裂主要是因为钻机在剧烈变化的载荷影响下的系统响应引起了弹簧内部应力响应，导致在单次冲击循环中的弹簧多次受应力循环疲劳损伤，不像传统的弹簧疲劳设计的一次单脉冲应力循环。根据不同钻井深度，分析缓冲弹簧应力响应，预测弹簧疲劳寿命；发现随着孔深的增加，缓冲弹簧在单次冲击中疲劳损伤增加，弹簧疲劳寿命变短；特别是在“打空”状态下，缓冲弹簧造成很大的疲劳损伤，应尽量避免。建立不同预紧力的缓冲机构模型，研究缓冲机构预紧力对钻机系统模态，钻具冲击运动和电机输出功率的影响，得到：较大的预紧力可以减小冲击机构对钻具下落冲击运动的干涉，提高冲击速度，避免电机输出轴负扭矩的出现对电机造成损失，提高钻进效率；同时也能避免钻具突然绷紧钢丝绳对缓冲弹簧造成的冲击载荷，延长弹簧疲劳寿命。建立了冲击机构的参数化模型，选取不同的目标函数对冲击机构进行优化设计；在冲击速度不变的条件下以冲击齿轮扭矩均方根为目标函数来进行冲击机构的优化，相比于单目标优化更合理，对冲击钻机的设计具有指导意义。

1 冲击钻机概述

1.1 钢丝绳式冲击钻机的特点

钢丝绳冲击钻也称冲击钻机，是驱动钢丝绳为增强钻具的冲击力，将钻头提升然后下落，砸碎岩石实现钻进。冲击钻机是现浇桩基础施工的重要钻井机。总结起来冲击钻机有以下三点优势。

（1）冲击钻从高处下落砸向岩石。速度钻具的质量成正比，可以有效打破硬岩。能适应很多种地形，实用价值很高。

（2）科学的实现冲击钻机低功耗，与旋转钻机相比，设备动力阶段同时，钻机适用于较大的施工。

（3）冲击钻机应用广泛，结构通俗易懂，成本不高，机械好较少的麻烦和易于维护的功能。

1.2 冲击钻机的发展与研究现状

20世纪80年初冲击反循环在中国使用钻机并推广了使用新型钢丝绳冲击钻艺术与转型加强主绞车。国内冲击钻机械制造商已经开发出了一批同类型的冲击反向循环工程钻机，仍然存在较大的波动效率低，能耗低等缺点。近些年计算机器技术发展飞速，利用数字模拟技术，能够以精确运动机制来分析缓冲机构和变形的钢丝绳所引起的系统的多自由度振动和对机构的运动的影响。

2 冲击系统的设计

2.1 钻具重量

钻具的重量是影响钻进效率的很关键的因素，钻具所获得的能量与钻具的质量密切相关，钻具的质量增加，对其材料，机械强度等都要随之提高，在地质勘查中用到的钻机一般是小型的，重量是100-200Kg，用于打水井的工程钻机一般较大，最大质量能达到7000Kg，在本设计中，所要设计的钻具质量为3000Kg。

2.2 冲击高度

钻具的冲击高度受到钻机的连杆和齿轮的影响，改变连杆和齿轮的角度，就能改变钻机的冲击高度，然而冲击高度的改变是与冲击过程中的末速度相关的，公式中，V是冲末速度，S是冲击高度，j是钻具的加速度，由公式可以看出，增大S可以增大V，进而增大冲击能量，然而，如果增大了冲击高度，冲击的过程也就变长，时间也就随之变长，就会导致冲击机构与钻具不能同步，就会导致损坏，为了避免损坏，就要相应的减少冲击次数，假设钻具钻头已经磨钝，面对的是非常坚硬的岩石。

2.3 冲击频率的确定

钻机的钻进过程中，要想获得较好的钻进效果，就要增加钻具的冲击频率，但是要有一定的标准，如果冲击频率过高，就会出现“打空”的情况。如果冲击频率过低，就会是使得对钻具的冲击阻力增大，达不到冲击效果。为了让钻机在保证钻具安全下达到最大效率，就要使冲击机构在一次冲击循环中能够与钻具下落时间相吻合。做到冲击次数与冲击高度能够完全匹配，得出合理的冲击次数。

3 结论

本文中用于模拟的技术主要使用虚拟样机技术，这种技术成功的模拟了带有具体数值的GCD-1500冲击钻机的模型。分析了导致缓冲弹簧断裂的具体的原因，细致的剖析缓冲机构与钻机性能相关联之处，又进行了创新设计的工作。

（1）分析了缓冲弹簧在工作中所受力的具体影响因素，找到了导致缓冲弹簧断裂的具体因素，弹簧的应力变化，导致缓冲弹簧在每一次冲击过程中造成疲劳损伤。

（2）在钻进过程中，钻进深度逐步加深，钢丝绳也随之变长，所以钢丝绳的刚度降低，当进行一次冲击时，缓冲弹簧所受到的力增加，这会导致缓冲弹簧的损坏程度加深，当钻机持续钻进时，缓冲系统会更加的受到损害。特别处于“空转”状态时，会对缓冲弹簧造成很大的疲劳损伤。所以一定要注意不要“空转”，这样的话会使缓冲机构受到损害，寿命降低。

（3）钻机的工作效率会受到缓冲机构的承受能力大小所限制；假设在其他因素相同时，紧固力变得越大，冲击钻机的钻具的末速度也会越大；同时也有助于避免电机突然停止导致钻机发生负扭矩。

（4）制作了和实际状况相近的的模拟模型，参数也与实际相同，主要应用了实验设计法和响应面法，创新了在各种情况下的机构参数。运用了很多的设计方案，随着方案的变化，机构参数也会变得不同，冲击机构的创新性能参数也要随之变化，这就需要系统的分析和总结。

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