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φ63.5mm1500mm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ANSYSWorkbench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。
【作者】曹明；
【导师】石智军；
【作者基本信息】煤炭科学研究总院，矿产普查与勘探，2014，博士
【关键词】外平钻杆；疲劳寿命；疲劳仿真；弯扭复合；疲劳试验；

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