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硬岩非开挖钻进摆动式潜孔锤定向机构的研究

吴银柱  
【摘要】: 在硬岩中进行非开挖铺管是一国际性难题,其主要难点是如何在钻进过程中改变钻头行进轨迹,作者在分析了目前非开挖硬岩钻进导向技术的基础上,做了以下研究: (1)分析了目前国内外在非开挖硬岩地层钻进中采用的导向技术的优缺点,指出了硬岩非开挖钻进采用碎岩效率较高潜孔锤钻进技术是最佳方式和手段。 (2)对气动潜孔锤在非开挖钻进中定向机理进行了分析,指出了了存在的问题和不足。分析了钻杆的工作原理及破坏机理。 (3)针对非开挖硬岩地层气动潜孔锤钻进方式,首次提出并设计了摆动式潜孔锤定向机构,连接在钻杆和气动潜孔锤之间。钻杆不回转或很慢回转,其主要是传递轴向压力,利用气体驱动潜孔锤定向机构摆动,从而带动潜孔锤摆动,避免潜孔锤导向锤头冲击过程中卡死。分析并给出了该机构的设计理论依据和设计过程,重点讨论了设计思路和方案,同时叙述了其工作原理。对机构中的关键技术和技术难点进气孔和出气孔的打开和关闭做了详细分析和论证。 (4)利用UG NX软件绘制了摆动式定向机构三维结构图,并通过大型通用力学有限元分析软件ANSYS对摆动式定向机构关键部件的力学效应进行了静力分析和模态模拟仿真研究。利用ADAMS软件进行了工作动态模拟仿真分析,了解和验证了摆动式定向机构的可行性,确保该机构的合理性和可行性。 (6)针对摆动式潜孔锤定向机构,提出了与之配套的导向钻头一些具体设计要求,并设计了两种方案的潜孔锤导向钻头。 (7)设计加工了摆动式定向机构样机,并进行了试验,试验表明该机构是可行的,能够很好的实现摆动功能,达到了预期设计的目的。 综上所述研究表明:提出和设计的摆动式定向机构,与气动潜孔锤配套使用,为非开挖硬岩钻进导向技术难题和关键技术提供了一种新的途径和方式。


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