钻具正弦波形螺纹的成形原理及牙形分析

薛明星

摘 要：钻具是地质勘测中较常用的工具之一，它主要是借助螺纹旋转，消除钻具做功中阻力的方式进行钻探.随着该项技术的逐步推广，设备逐步呈现出适用范围广、灵活度较高等特征。基于此，本文结合甘肃省地矿局第二勘查院的研究资料，着重从结合钻具正弦波形螺纹的成形原理理论，以及钻具的牙形结构设计要点方面进行探究，以达到充分把握技术优势，实现地质勘探工作高效率、高质量完成的目的。

关键词：钻具；正弦波形螺纹原理；牙形

中图分类号：TE921.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0074-02

0 引言

地质勘探工具的不断优化，是社会资源广泛性、深入性开发的外部条件，它不仅影响着地質勘测项目的探索效率，也对地质勘测成本的节约有着助推作用。而钻具作为当代地质环境勘测与探索中较常见的工具，自然也成为新时期技术手段优化的代表物品，由此，由原理到设计要点的梳理分析，将为地质勘测技术的创新应用提供借鉴。

1 钻具正弦波形螺纹的成形原理及牙形研究价值

钻具正弦波形螺纹设计，主要利用了螺旋结构旋转做功时，可消除垂直做功时产生的阻力，实现了高效率、低损耗的做功。随着现代地质勘探中钻具的形式不断变化，设备开发也来越向着人性化、灵活性的趋向转变，为此，设别研究时必须要在钻具设计原理和设计要点入手，综合分析钻具探究的有效策略，方能够解决当前钻具应用中的不足，优化设计要点。

同时，钻具正弦波形螺纹旋转扰动变化情况，将直接对钻具的牙形弧度，牙形行走轨迹等方面产生相应的影响。因而，想要更进一步实现钻具在功率优化层面取得的成绩，就必须要适当的进行螺纹设计形态的要点分析与调节。以上两方面内容，是从钻具正弦波形螺纹设计问题分析与功率实践探究的层面，对本篇文章的探究价值进行归纳。

2 钻具正弦波形螺纹的成形原理探究

2.1 钻具正弦波形螺纹的设计原理

正弦波形螺纹工艺，是借助圆球与螺杆的加工方法，进行加工钻头设计结构。一方面，当代地质勘测中的所用到的正弦波形螺纹钻具，主要是以中心高，两侧与中心平行分布开的走刀设计结构。当中心刀具进行周期旋转时，会带动两侧刀具螺纹平面转动，进而实现对周边物质的“切割”。如，正弦波形螺纹钻具进行做功时，钻具两侧的螺旋纹理是相同的，就像是一个对折的螺纹花朵一样，正是正弦波形螺纹钻具这一设计原理的体现。另一方面，钻具正弦波形螺纹，是按照中心圆设计法，将圆的半径作为外部正弦波形螺纹旋转的长度。当中心轴在某处定点后，正弦波形螺纹钻具以此作为定点圆心，以“固定”半径进行旋转做功。

结合以上对钻具正弦波形螺纹的分析可知：为进一步优化地质勘探钻具设备的强度和力度，就必须要把握正弦波形螺纹两侧旋转强度，以及中心圆的旋转半径。

2.2 钻具正弦波形螺纹的模型原理

对钻具正弦波形螺纹的模型原理进行分析，也可以借助波形螺纹虚拟坐标法进行螺纹成型情况的探究。首先以钻具核心区域为圆心，建立三维直角坐标系，将螺波纹圆柱旋转运动线作为横坐标（X），以中心螺纹旋转半径为纵坐标（Y），以正弦波形旋转点，作为钻具正弦波旋转变化的空间坐标（Z）。当钻具按照正弦波形螺旋做功时，就会形成相应的坐标点，而这些坐标点也就是钻具钻孔时，做功所走的路线。

钻具正弦波形螺纹做功时，在虚拟坐标上对应做功的点越多，且坐标中的点左右对称的效果越好，说明钻具正弦波形螺纹旋转时所产生的有用功也越多，损耗的也就越少。

3 钻具正弦波形螺纹的牙形设计分析

为充分彰显钻具正弦波形螺纹设计优势，就必须要在螺旋设计结构的要点分析时，全方位把握正弦波形螺纹的牙形设计要点。笔者将其归纳为：

3.1 正弦波牙形拐点设计分析

按照钻具波形螺纹设计模型，我们可按照偏心量E，圆心O在围绕X轴运动的轨迹方程表示为：y-Esinα=RsinβT（1）；Z-Ecosα=RcosβT（2）；X=BT（3）[1]。其中“B”表示螺纹沿X轴的运动速度，“α”表示螺纹中心线与坐标圆心O的连线夹角，“Z”表示曲面螺纹绕X轴运作一周后，在X轴移动上的一个螺距大小[2]。这样，当钻具波纹拐点与平行X轴之间保持同规律的曲线变化趋向时，则螺纹波形变化过程中，所产生的螺纹波形也就符合以上（1）-（3）的公式规律。若钻具实际做功时，并不能保障螺纹波形变化与牙形函数体系之间的协调变化，则说明此时螺纹做功与螺纹运转的趋向变化规律不同，螺纹波形牙形之间的匹配程度也相对较低，此时，钻具做功期间所进行的有用功比例自然也较低。

若我们利用正弦螺旋波动对正弦波牙形拐点进行判断，可将其归纳为：正弦螺旋波点的拐点变化时，必须按照F（x）=Esin（2πX/T）+R2=E2cos2（2πX/T）的顺序进行计算[3]。若正弦螺旋波动牙形拐点位置，与正弦拐点计算之间的关系不相符，则正弦螺旋波动的螺旋过程，自然也就不是两侧协调统一的标准进行螺旋做功了。为避免正弦螺旋波动牙形变化时，出现钻具做功损耗问题，就必须要在正弦螺旋波动钻具设计期间，注意正弦螺旋波动的拐点变化对应情况。

3.2 正弦波螺纹牙形侧角设计分析

依据正弦波形变化的规律可知：正弦波形是按照周期圆的变化规律，进行螺旋旋转的过程。将钻具正弦螺旋波动设计为这一形态，主要也是利用了正弦螺旋周期变化过程，不会受到周围外部阻力的影响，而突出正弦螺旋波动变化的优势，以提高正弦螺纹变化的周期做功效率性。但正弦螺旋波动的变化，又主要是以立体做功形态进行正弦螺旋变化，与正弦平面图形对比而言，立体图形进行正弦螺旋波动情况分析时，需考虑到立体平面角度的变化，与正弦螺纹周期做功之间的关系。

首先，假定钻具正弦螺旋波动角为S，且当S满足sinS =TG/F（X）的规律时，说明S是钻具做功时的最大角度[4]。其中S表示螺旋波纹与圆心周期做功之间的夹角，F（X）表示正弦螺纹周期旋转的螺纹牙形变化情况。其次，计算S为正弦螺旋波动角的大小，钻具每一次周期旋转做功过程，均可以将其看作是一个平整的周期旋转过程。若后续对正弦螺旋波动做功测量时，并未发现正弦螺旋波动角变化值有>S的，也进一步验证了钻具正弦螺旋波动旋转做功过程，正处于最优做功状态，此时钻具正弦螺旋波动角值最大。

3.3 正弦波牙形波峰与波谷设计分析

我们对正弦周期旋转情况分析时，也需对正弦螺旋波动的牙形波峰与波谷情况进行探究。

3.3.1 正弦波牙形波峰分析

当正弦螺旋波动钻具处于周期做功状态时，牙形会在规定的周期做功范围内，确定一个做功最高点和做功最低点。即我们在正弦原理部分分析的最大值和最小值。我们对正弦牙形波峰变化情况分析时，必须考虑到正弦螺旋波动的变化条件。这是由于其自身并不会区分哪一个是最优值，哪一个是最低值，而是要依据正弦螺旋波动的具體变化情况，进行相应的正弦螺旋波动值探究。由此，我们可通过假定一个具体的钻具做功过程条件法，对其牙形波峰进行判定。如规定范围内正弦螺旋波动的周期判定结果与当前钻具做功情况相互吻合，说明钻具正弦螺旋波动的牙形处于最佳状态；反之，说明勘测点并不是钻具做功最佳范围。

3.3.2 正弦波牙形波谷分析

与正弦螺旋波动的波峰分析相比，钻具的正弦螺旋波动峰谷是一个变化范围。即，钻具在持续性做功过程中，按照某一特定的周期做功时，三维坐标中的正弦螺旋波动点，始终与标准波值之间存在着一些偏差。此时，说明钻具的正弦周期旋转点，并未按照正弦旋转做功的一般要求进行周期做功，而是借助正弦调整值的变化，继续进行钻具维持性做功。因而，无论正弦做功状态是否与实际需求相互吻合，此时都会产生不必要的损耗功。

3.4 正弦波牙形半径设计分析

3.4.1 整体做功视角分析

正弦螺旋波动的牙形半径分析，也是钻具设计探究中需解析的内容。从钻具的整体做功视角而言，当正弦螺旋波动的周期与牙形设计的周期相同时，牙形周期旋转就会在正弦螺旋设计框架内，此时自然也就不会对正弦螺旋波动周边区域产生相应的磨损。若钻具的周期旋转过程与正弦螺旋波动不相符合，就会出现局部边缘与牙形不相符的情况。即，钻具每一次做功时，都将会对周边区域产生相应的磨损。

3.4.2 局部做功视角分析

为确保钻具在地质勘测过程中可准确定位、精准勘测，就必须要在对钻具正弦波形螺纹进行分析时，对钻具的牙形半径进行设计要点控制。首先，钻具内部半径的分析。即，以钻具中心为基础的，正弦波核心钻具每周的周期旋转做功强度探究。进行钻具正弦波形螺纹牙形分析时，尽量将牙形设计的内圆心周期转动空间预留出来，这样就可以避免钻具正弦波形螺纹做功时，对钻具周边平行物体产生磨损了。其次，钻具外部半径的分析。

值得注意的是，钻具正弦波形螺纹的外部半径设计，需满足外部钻具螺纹半径设计部分，要包括内部半径螺纹设计部分。否者，设计完成的钻具正弦波形螺纹结构，极易出现内部螺纹与外部螺纹坐标定点不同，做功效果也不同的情况，损耗钻具正弦波形螺纹做功强度。

3.5 正弦波牙形螺纹螺距设计分析

正弦波牙形螺纹的螺距设计，也是钻具正弦波形螺纹分析的主要方面。

其一，钻具正弦波形螺纹的螺距设计，是指钻具两侧的波纹刀具排列情况。即，钻具正弦波形螺纹设计时，正弦螺纹一周旋转的螺纹调控数量，与钻具的做功强度是否相互吻合。如，某钻具的做功强度为10000W，则正弦波纹两侧的螺纹强度也应将两侧强度保持在10000W左右。

其二，钻具正弦波形螺纹的螺距设计，是指两侧螺纹纹路之间预留的空间大小。一般来说，只要钻具正弦波形螺纹的螺距满足F（X）=Esin（2πX/T）的公式，就说明此时钻具正弦波形螺纹的螺距设计达到了预定做功标准。否则，就无法证明正弦波牙形螺纹螺距设计，与钻具正弦之间保持着协调的做功状态。

即，对地质勘测中正弦波牙形螺纹探究与分析时，不仅要考虑到钻具设计结构上的特征，也需考虑到正弦波牙形螺纹实际应用中做功状况的吻合度。

4 结语

综上所述，钻具正弦波形螺纹的成形原理及牙形分析，是社会地质勘探技术实践中开发的技术要点归纳，它为社会地质资源探究提供了研究方向。在此基础上，本文结合钻具正弦波形螺纹的成形设计原理和模型原理，将钻具正弦波形螺纹牙形设计要点归纳为：正弦波牙形拐点设计分析、侧角设计分析、波峰与波谷设计、半径设计、螺纹螺距设计五方面。因此，本篇关于钻具螺纹设计的内容探究，将为当代地质勘测技术方法创新提供探索新思路。

参考文献

[1] 王恒，管志川，史玉才，等.柔性短节对推靠式旋转导向底部钻具组合造斜能力的影响分析[J].钻采工艺，2018，41（06）：19-22+6.

[2] 王克雄，王镇全，巩立根.井下动力钻具新型万向轴研制及应用研究[J].钻采工艺，2018，41（06）：83-86+10.