煤矿坑道钻探用外平钻杆疲劳试验及寿命预测研究

摘要

钻杆作为坑道钻探装备的重要组成部分,是煤矿坑道钻探施工的必备工具,其疲劳性能直接影响着坑道钻探作业的安全稳定进行;国内外针对煤矿坑道钻探用外平钻杆疲劳失效的研究工作较少,且缺乏必要的疲劳试验手段。本文在分析和总结前人研究现状与存在问题的基础上,选取φ63.5mm?1500mm摩擦焊接式外平钻杆作为研究对象,取得以下主要研究成果:
　　(1)依据钻杆在井下工作时的运动状态,建立了井下空间坐标系,推导出了钻杆的微分几何方程、微分平衡方程、几何方程、本构方程以及钻杆纵横弯曲变形方程与钻杆弯曲半波方程;依据压杆稳定原理推导了钻杆最大弯曲应力计算公式,对钻孔-钻杆的约束关系进行了分析;
　　(2)优选了适用于钻杆疲劳寿命分析的疲劳寿命预测方法,详细分析了钻杆疲劳裂纹的萌生、扩展机理;基于裂纹扩展预测方法推导了钻杆疲劳寿命计算公式;
　　(3)以钻杆疲劳寿命计算公式为基础,利用ANSYS Workbench有限元分析软件提出了一种钻杆疲劳寿命仿真分析方法,实现了钻杆钻进过程的疲劳仿真,为钻杆疲劳寿命预测提供了条件;
　　(4)研制的大能力钻杆实物弯扭复合疲劳试验机,填补了国内空白,试验机试验转矩300Nm-15000Nm任意可调,转速0-800rpm无级可调,钻杆试验长度9000mm,为国内长轴类产品的疲劳分析提供了实物试验手段;
　　(5)完成了三组钻杆极限条件下的疲劳试验,进行了三个煤矿的钻杆使用情况调研,结果验证了疲劳仿真分析方法的准确性,检验了钻杆疲劳寿命预测的研究成果,为各种规格钻杆的疲劳寿命预测奠定了良好的基础。

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第一章 绪论

1.1.选题的目的和意义

1.2.国内外研究现状

1.3.目前研究中存在的主要问题

1.4.主要研究内容

第二章 外平钻杆制造技术研究

2.1.概述

2.2.外平钻杆规格种类

2.3.外平钻杆加工方法

2.4.摩擦焊接式外平钻杆加工工艺

2.5.本章小结

第三章 外平钻杆受力状况分析

3.1.钻杆的运动状态分析

3.2.钻杆基本受力状况分析

3.3.钻杆力学基本方程

3.4.钻杆纵横弯曲分析

3.5.钻孔对钻杆的约束关系分析

3.6.本章小结

第四章 外平钻杆疲劳寿命预测研究

4.1.矿用外平钻杆疲劳失效机理

4.2.疲劳寿命预测方法

4.3.外平钻杆疲劳寿命计算

4.4.本章小结

第五章 外平钻杆疲劳仿真研究

5.1. ANSYS Workbench软件概述

5.2.钻杆静强度分析

5.3.钻杆疲劳寿命分析

5.4.本章小结

第六章 外平钻杆弯扭复合疲劳试验机研制

6.1.疲劳试验加载方案

6.2.疲劳试验加载方案选择

6.3.疲劳试验机技术参数

6.4.疲劳试验机控制系统

6.5.转矩标定方法

6.6.本章小结

第七章 外平钻杆疲劳试验研究

7.1.疲劳试验方法分类

7.2.疲劳试验方法的选择

7.3.钻杆实验方案

7.4.钻杆静态试验情况

7.5.钻杆疲劳试验

第八章 钻杆现场应用情况与疲劳仿真结果对比分析

8.1.钻杆现场应用情况

8.2.正常钻进钻杆疲劳仿真

8.3.本章小结

第九章 结论与展望

9.1.结论

9.2.主要创新点

9.3.展望

参考文献

致谢

附录