【摘要】：隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展以及對環(huán)境保護(hù)的日益重視,對于鉆探設(shè)備、工具的要求也越來越高,聲波鉆進(jìn)技術(shù)因具有鉆進(jìn)速度快、適應(yīng)地層廣和環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn),近年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。本文針對振動器質(zhì)量(不包括通過隔振器連接的回轉(zhuǎn)器部分)對慣性邊界聲波鉆柱動力學(xué)特性和振動響應(yīng)的影響,以及聲波鉆鉆柱疲勞損傷的問題,開展了理論研究工作,具體研究內(nèi)容如下:一、建立了慣性邊界聲波鉆柱動力學(xué)微分方程,采用數(shù)學(xué)分析方法求解慣性邊界聲波鉆柱的固有頻率方程得到其近似解通式,并分析討論了振動器質(zhì)量、鉆柱長度、鉆柱密度和截面積等系統(tǒng)參數(shù)對鉆柱的固有頻率的影響。二、采用分離變量法求解慣性邊界聲波鉆柱動力學(xué)微分方程,得到慣性邊界聲波鉆柱的穩(wěn)態(tài)位移、應(yīng)力響應(yīng);分析了振動器質(zhì)量對慣性邊界聲波鉆柱位移、應(yīng)力響應(yīng),以及鉆頭位移幅值、鉆柱頂端振動器與鉆柱耦合處應(yīng)力幅值的影響。三、聲波鉆利用鉆柱高頻共振實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)時(shí),鉆柱內(nèi)的高頻交變應(yīng)力容易引起鉆柱疲勞損傷,通過對聲波鉆行波與駐波振動階段鉆柱內(nèi)應(yīng)力分析,基于疲勞累積損傷法則,建立了鉆柱疲勞損傷計(jì)算公式;聲波鉆柱內(nèi)的疲勞損傷區(qū)段在靠近鉆頭處不超過駐波起振長度的范圍內(nèi)。通過以上研究,有利于精確控制聲波鉆機(jī)淺孔鉆進(jìn)時(shí)鉆柱的振動頻率,提高鉆進(jìn)效率與聲波鉆進(jìn)機(jī)具及鉆桿的使用壽命,指導(dǎo)聲波鉆機(jī)設(shè)計(jì)和聲波鉆進(jìn)生產(chǎn)實(shí)踐;同時(shí)聲波鉆鉆柱疲勞損傷計(jì)算方法也為受對稱循環(huán)應(yīng)力作用的鉆柱疲勞壽命估算提供了理論參考。
[Abstract]:With the development of drilling technology and the increasing attention to environmental protection, the requirements for drilling equipment and tools are becoming higher and higher. Acoustic drilling technology has the advantages of fast drilling speed, wide adaptability to formation and less environmental pollution. In recent years, it has been rapidly developed and widely used. In this paper, the influence of vibrator mass (not including the rotary part connected by the isolator) on the dynamic characteristics and vibration response of the inertial boundary acoustic drill string and the fatigue damage of the acoustic drill string are studied theoretically. The specific research contents are as follows: first, the dynamic differential equation of inertial boundary acoustic drill string is established, and the approximate general solution of the natural frequency equation of inertial boundary acoustic drill string is obtained by using mathematical analysis method, and the vibrator mass is analyzed and discussed. The influence of system parameters such as drill string length, drill string density and cross section area on the natural frequency of drill string. Secondly, the dynamic differential equation of inertial boundary acoustic drill string is solved by the method of separating variables, the steady displacement and stress response of inertial boundary acoustic drill string are obtained, and the response of vibrator mass to displacement and stress of inertial boundary acoustic drill string is analyzed. The effects of drill displacement amplitude and stress amplitude at the coupling of drill string top vibrator and drill string are also discussed. Third, when the high frequency resonance of drill string is used to realize the rapid drilling, the high frequency alternating stress in the drill string can easily cause fatigue damage of the drill string. By analyzing the internal stress of the drill string in the vibration stage of the acoustic drilling wave and standing wave, the fatigue cumulative damage rule is based on. The formula for calculating fatigue damage of drill string is established, and the fatigue damage section of sonic drill string is within the range of standing wave vibration initiation length near the drill bit. Through the above research, it is advantageous to accurately control the vibration frequency of drill string during shallow hole drilling of sonic drilling rig, to improve drilling efficiency and the service life of acoustic drilling machine and drill pipe, and to guide the design of sonic drilling rig and the production practice of sonic drilling. At the same time, the fatigue damage calculation method of sonic drill string also provides a theoretical reference for the fatigue life estimation of drill string subjected to symmetrical cyclic stress.
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P634

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本文編號：2164781