CN103967432B - 一种螺旋钻杆参数的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋钻杆参数的优化方法，以单颗粒运动算法为基础，分析松软煤层在螺旋钻杆钻进过程中的受力情况，从而推导出影响螺旋钻杆转速的因素；进一步通过对垂直钻进时螺旋钻杆煤粒质量输送率的计算分析，得到影响输送率的结构参数，已到达螺旋钻杆的最佳结构参数，具体算法为以单颗粒为基础，分别对单颗粒进行速度分析和受力分析，通过速度等式与受力等式推导得到单颗粒的绝对速度关系式，从而推导螺旋钻杆转速与单颗粒相关参数关系式，本发明通过对输送过程中煤层单颗粒的运动分析，避免了煤粒二次破碎对参数化计算带来的影响，得出最优的钻杆参数方法，建立相应的参数化模型，从而提高输煤率，使得螺旋钻杆的结构参数更符合工作要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种一种螺旋钻杆参数的优化方法，属于机械钻头设备技术领域。
背景技术
随着我国煤层资源的深入开发，突出松软煤层的开采也在逐步扩大，而螺旋钻杆的设计对解决我国松软煤层的开采，提高煤层的开采率有着重要的意义，螺旋钻杆在钻机中不仅是传递动力的主要环节，而且起到将钻头切割下的煤粉输送出去的作用，由于钻杆在煤粒输送过程中叶片与煤粉间的互相挤压，造成二次破碎，使得煤粒的整体受力变的非常复杂，给螺旋钻杆的参数化设计增加了难度。
发明内容
本发明的目的是：提供一种L800*76型高效传输螺旋钻杆及参数优化方法，该方法通过对输送过程中煤层单颗粒的运动分析，避免了煤粒二次破碎对参数化计算带来的影响，以L800*76型螺旋钻杆的填充率、钻杆叶片螺旋升角、心轴杆直径为设计变量，同时考虑浮煤量、块煤率对煤层的密度、摩擦因素的影响，建立相应的参数化模型，利用MATLAB软件对其进行优化，从而提高输煤率，使得螺旋钻杆的结构参数更符合工作要求，以解决目前现有的技术问题。
本发明的技术方案
一种螺旋钻杆参数的优化方法，以单颗粒运动算法为基础，分析松软煤层在螺旋钻杆钻进过程中的受力情况，从而推导出影响螺旋钻杆转速的因素；进一步通过对垂直钻进时螺旋钻杆煤粒质量输送率的计算分析，得到影响输送率的结构参数，已到达螺旋钻杆的最佳结构参数，具体算法为以单颗粒为基础，分别对单颗粒进行速度分析和受力分析，通过速度等式与受力等式推导得到单颗粒的绝对速度关系式，从而推导螺旋钻杆转速与单颗粒相关参数关系式。
一种L800*76型高效传输螺旋钻杆，包括螺旋钻杆，该螺旋钻杆由心杆和螺旋叶片构成，该螺旋钻杆的外径e为76mm，该螺旋钻杆的长度a为800mm，螺距b为110mm～120mm，心杆直径c为50mm，叶片厚度d为3mm～5mm，头数为2头。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明通过对输送过程中煤层单颗粒的运动分析，避免了煤粒二次破碎对参数化计算带来的影响，得出最优的钻杆参数方法，其中以L800*76型螺旋钻杆的填充率、钻杆叶片螺旋升角、心轴杆直径为设计变量，同时考虑浮煤量、块煤率对煤层的密度、摩擦因素的影响，建立相应的参数化模型，利用MATLAB软件对其进行优化，从而提高输煤率，使得螺旋钻杆的结构参数更符合工作要求。
附图说明
附图1为本发明中煤层颗粒速度关系图；
附图2为本发明中层颗粒受力关系图；
附图3为发明中单个螺距的填充情况图；
附图4为本发明中α与螺距S和钻杆外径D的关系图；
附图5为本发明结构示意图；
附图6为本发明结构参数及技术说明图；
附图7为附图6的A-A示意图。
附图中的标记为：1-心杆、2-螺旋叶片、3-螺旋钻杆、a-螺旋钻杆长度、b-螺旋钻杆螺距、c-螺旋钻杆心杆直径、d-螺旋钻杆叶片厚度、e-螺旋钻杆外径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
本发明的实施例一：本发明的原理为：以单颗粒运动算法为基础，分析松软煤层在螺旋钻杆钻进过程中的受力情况，从而推导出影响螺旋钻杆转速的因素；进一步通过对垂直钻进时螺旋钻杆煤粒质量输送率的计算分析，得到影响输送率的结构参数，已到达螺旋钻杆的最佳结构参数，具体算法为以单颗粒为基础，分别对单颗粒进行速度分析和受力分析，通过速度等式与受力等式推导得到单颗粒的绝对速度关系式，从而推导螺旋钻杆转速与单颗粒相关参数关系式。
一、单颗粒运动分析
煤粒通过钻头切割到钻杆上，依靠旋转的螺旋钻杆的离心力及煤粒与叶片间的摩擦力将煤层输送出去，当螺旋钻杆的转速较小时，煤层颗粒与螺旋叶片一起转动且有向孔壁移动趋势，但煤层不上移，当随着螺旋钻杆的转速加大，煤层颗粒受到的离心力加大，煤层颗粒于螺旋表面出现相对滑动，并成螺旋形轨迹向上升，煤层输送顺利进行。
当螺旋转速超过临界转速时，在螺旋叶片上取单颗粒进行运动分析，令螺旋升角为α，与水平方向的夹角ψ上的绝对速度为v1，与叶片间的相对速度为va，螺旋钻杆的圆周速度为v，煤粒实际圆周速度为v2，则单颗粒的速度关系如附图1。
煤粒的速度系数
当煤粒向上输出时，离心力作用于孔壁上的摩擦力为Fμ与水平方向产生夹角为ψ，受力关系如附图2，可知离心力产生的摩擦力Fμ与反作用E的夹角θ＝90-α-β-ψ，则根据附图2受力的几何三角形有
其中重力G＝mg代入(2)式整理得
式中ω——钻进角速度rad/s
r——煤层颗粒到轴心距离m
m——煤层颗粒质量kg
g——重力加速度9.8N/kg
n——煤粒绝对转速r/min
β——煤层颗粒与孔壁间的摩擦角
μ——煤层颗粒与孔壁间的摩擦因子
由螺旋钻杆转速为N＝λ1n将(3)式代入得
由(4)式可知，当α+β＝90°时转速趋近于无穷，则应α+β<90°。越靠近孔壁的煤粒所需转速越小，越靠近螺旋叶片内侧所需转速越大，而实验中发现，转速越大煤层间将产生相对滑动，从而增加功率消耗，当转速超过一定值时，煤粒会产生影响向上输送的跳跃翻滚现象，故转速非越大越好。
二、螺旋钻杆输送率的参数设计与优化
在单颗粒运动分析的理论基础上，将影响输煤率的各个参数作为可变量，建立以螺旋钻杆输煤率为优化对象的目标函数，在相应的约束条件下进行优化求解，给螺旋钻杆的参数化设计提供参考。
1、螺旋钻杆煤粉质量输送率的计算
螺旋钻杆在输煤时如附图3所示，螺旋钻杆的质量输送率
式中I——螺旋钻杆质量输送率t/h
φ——螺旋钻杆填充率
d——螺旋钻杆心杆直径m
ρ——煤粉密度t/m3
将螺旋叶片的一个螺距沿外径展开如图4，则应取则有螺距
S＝πDtanα (6)
煤层颗粒到轴心距离[i]
令d＝εD (8)
式中，ε为直径比系数
将(4)、(6)—(8)式代入(5)式整理得
由式(9)可知，影响螺旋钻质量输送率I的参数共有8个，其中D为初始数据ρ、β，μ是可查数据，ε、α、ψ、φ为可变参数，则优化设计变量
X＝[x1 x2 x3 x4]T＝[ε α ψ φ]T
则螺旋钻杆输送率的最大值等价目标函数为
2、优化约束条件的建立
2.1、摩擦角和螺旋升角
螺旋叶片与松软煤层的摩擦因数等于煤粒之间的摩擦因数μ＝0.58，则tanβ＝μ＝0.58，得螺旋叶片与煤的摩擦角β＝30°。
2.2煤粒密度ρ
煤粉密度ρ由表(1)可查得，根据松软煤层以散煤、潮湿的形式存在，在螺旋钻杆输送过程中叶片的挤压和搅动使煤粒有较大破损且为中等摩擦(摩擦系数为0.58)，则取密度ρ＝0.77t/m3。
表1若干种煤粉的堆积密度ρ
2.3、螺旋钻杆心轴杆的约束条件。
理论上ε越小容煤空间越大效率越高，但ε过小螺旋杆的刚度和强度就会降低，实践证明，由于钻孔空间和刚度及强度的限制，ε取0.5—0.7较合适。即d＝0.5D—0.7D。当孔径较大时取ε＝0.5。
则f1(x)＝0.5-x1≤0
f2(x)＝x1-0.7≤0
2.4、螺旋叶片螺旋升角的约束条件。
如附图4所示，令螺旋径距系数
实践表明，螺距螺旋升角适当提高可以使输送效率变高，但较低的γ值能使被输送的煤层较大的破损，从而提高成孔率，通常γ在1—1.5范围内取值。代入(6)式得α＝17.66°—25.52°。
则f3(x)＝17.66-x2≤0
f4(x)＝x2-25.52≤0
2.5、煤粒与水平方向夹角ψ的约束条件。
由煤层颗粒受力关系附图3可知，要使煤在螺旋叶片上向上移动则ψ>0，而满足螺旋输送过程中不发生自锁现象有ψ<90°-α-β，又β＝30°，则ψ<60°-α
则f5(x)＝-x3<0
f6(x)＝x3+x2-60≤0
综上所述，建立螺旋钻杆结构参数化数学模型如下
X＝[x1 x2 x3 x4]T＝[ε α ψ φ]T
三、优化结果分析
以独立参数ε、α、ψ、φ为设计变量，来建立目标函数的数学模型，进而用优化设计的方法来求取最佳变量值。选择MATLAB中的遗传算法，对此多变量有约束的非线性函数进行全局优化计算，采用调整上界的方法，经多次迭代后得到最优解[ii]与原始设计参数对比，见表2。
表2钻杆主要参数优化前后比较
通过原始参数与优化参数1的比较可知，当转速不变，只对钻杆的螺旋升角等结构参数优化后，输出能力提高了9.4％。由优化参数1、2之间的比较可知，当对螺旋钻速进行优化后输出能力在理论上约提高了7.18倍。但实践表明，随着转速的提高，对电机及生产成本也会增加，螺旋钻杆易产生疲劳损坏甚至断裂，卡钻，塌孔等事故。因此，对钻杆结构参数优化可行，通过优化转速的方案仅供进一步优化作参考。
本实施例是根据上述参数方法所构建的一种L800*76型高效传输螺旋钻杆，如附图所示，包括螺旋钻杆(3)，该螺旋钻杆(3)由心杆(1)和螺旋叶片(2)构成，该螺旋钻杆(3)的外径(e)为76mm，该螺旋钻杆(3)的长度(a)为800mm，螺距(b)为110mm～120mm，心杆直径(c)为50mm，叶片厚度(d)为3mm～5mm，头数为2头。
Claims (1)
1.一种螺旋钻杆参数的优化方法，其特征在于：以单颗粒运动算法为基础，分析松软煤层在螺旋钻杆钻进过程中的受力情况，从而推导出影响螺旋钻杆转速的因素；进一步通过对垂直钻进时螺旋钻杆煤粒质量输送率的计算分析，得到影响输送率的结构参数，已到达螺旋钻杆的最佳结构参数，具体算法为以单颗粒为基础，分别对单颗粒进行速度分析和受力分析，通过速度等式与受力等式推导得到单颗粒的绝对速度关系式，从而推导螺旋钻杆转速与单颗粒相关参数关系式。
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