[发明专利]一种螺旋钻杆参数的优化方法

说明书

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