潜孔锤及声波钻柔体振动冲击的理论与建模

【摘要】随着勘察技术及航空航天技术的发展,柔体的冲击、振动问题的研究愈来愈受到人们的重视,但由于冲击、振动过程非常复杂,其中所涉及到的许多复杂问题仍然还没有得到很好的解决。本文分别以潜孔锤活塞-钻头-岩石系统和声波钻钻柱为研究对象,对潜孔锤凿岩过程中钻头冲击岩石的响应及声波钻不同地层钻进的钻柱振动、冲击响应进行了理论研究,具体研究内容如下：一、首次给出弹性支撑二柔杆冲击分离后被撞杆的运动方程,以此来分析潜孔锤钻头凿岩过程并与LS-DYNA中活塞-钻头-岩石系统三维实体模型仿真结果进行校验对比,最后通过数学模型分析讨论活塞岩石刚度、冲击速度及活塞、钻头长度变化对潜孔锤钻头冲击岩石的影响,此模型可以推广到其他冲击类机械的研究。二、基于声波钻饱和软地层钻进时钻柱周围饱和土壤迅速液化,从而钻柱所受摩擦阻力急剧减小的实际情况,确定声波钻钻柱纵向振动的边界条件,建立声波钻饱和软地层钻进时钻柱纵向振动数学模型,得到其在顶部正弦激励下的稳态受迫振动响应。针对声波钻钻柱纵向振动的位移响应、动应力响应及声波钻工作过程中声频振动器的频率控制等方面进行了深入的研究。三、声波钻穿岩钻进时,其钻头对岩石的冲击力大小对凿岩钻头的设计尤为重要。在声波钻饱和软土层钻进模型的基础上改变边界条件,以弹簧代替声波钻钻进过程中遇到的岩石,求解上述边界条件下声波钻钻柱以其共振状态为初始条件的零输入瞬态响应过程,以此来研究声波钻在饱和软土层中钻进时遇到岩石可能产生的最大冲击力。通过以上研究,为冲击类机械诸如潜孔锤、打桩机、捣固机、破碎器等的设计、分析提供理论参考；阐明了声波钻钻柱不同地层钻进的振动与冲击机理,为声波钻的使用及钻柱和钻头的设计与钻进工艺的优化提供理论支撑。
【作者】孙龙；
【导师】卜长根；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），机械工程，2014，硕士
【关键词】柔体；声波钻；潜孔锤；冲击；纵向振动；共振；

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