YZX127型液动锤产生的应力波及其传播研究 ——以中国大陆科学钻探工程中使用的液动锤为例

论文摘要

潜孔液动冲击器简称液动锤,由于其独特的结构和工作原理,使其具有结构简单、适用深孔硬岩钻进等特点,在水文水井、地热井、油气井以及科学深钻中都有良好的应用前景。而在中国大陆科学钻探工程中的成功应用也正好说明液动锤的作用越来越明显。但目前液动锤存在单次冲击能传递效率较低、多依靠经验设计、工作不太稳定等弱点,因此,本论文从潜孔冲击锤产生的应力波入手,对应力波的传播过程和波在传播过程中能量传递效率的变化以及波在三维空间中的传播特征做一些分析,以便对潜孔冲击锤的设计提供一些实用理论。 本论文利用波的基础理论,得出冲锤产生的应力波在传播过程中在各变截面上质点的速度变化规律、力的变化规律。应力波在传播过程中能量也随着传播出去。当扰动在弹性介质中以波的形式传播时,在波通过的地方,质点在自己的平衡位量附近振动从而具有随时间变化的动能和势能,而动能和势能的变化取决于波的变化,因此本文中对能量传播问题主要从应力波的变化过程和作用力的变化过程来判定冲击能的变化,以此从波的变化过程中找出单次冲击能效率最优值。 本论文也讨论了在冲击能的作用下,材料的瞬时变形长度随时间的变化关系,得出可由截面面积的变化判断出瞬时变形长度的变化。并讨论了应力波在三维空间中传播的特性,以此判定应力波在取芯工具中传播的波型变化规律,以及其传播特征与三牙轮钻头设计的合理匹配问题。 最后,在以上理论的基础上,对冲锤的优化设计进行讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 前言
• 第1章 绪论
• 1.1 选题目的及意义
• 1.2 主要研究内容
• 1.3 主要研究思路
• 第2章 大陆科钻及液动冲击回转技术的基本概括
• 2.1 大陆科学钻探
• 2.1.1 目的与意义
• 2.1.2 全球科学钻探工程现状
• 2.2 中国大陆科学钻探工程
• 2.2.1 工程简介
• 2.2.2 科学和技术目标
• 2.2.3 主要钻进方案
• 2.2.4 主要钻进工艺
• 2.3 液动冲击回转技术在中国大陆科学钻探中的使用
• 2.3.1 液动冲击回转技术原理及发展概况
• 2.3.2 液动潜孔锤在中国大陆科学钻探中的作用
• 2.4 冲击回转钻进技术的应用前景
• 2.5 冲击回转钻进在当前存在的主要难题
• 第3章 应力波传播的基础理论
• 3.1 杆中的波动惯量
• 3.2 应力波的反射与透射
• 第4章 冲击能传播理论
• 4.1 冲击能传播速度
• 4.2 冲击能传播规律
• 4.2.1 应力波传播规律
• 4.2.2 能量传递效率
• 4.3 冲击能作用下材料的变形
• 4.3.1 原理简介及应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 三维空间中应力波的传播
• 5.1 三维空间中波动方程的特征曲面（波阵面）
• 5.1.1 波阵面的定义
• 5.1.2 特征曲面方程（三维空间中）
• 5.1.3 一阶偏微分方程的特征线方程组
• 5.1.4 特征曲面方程的解
• 5.2 在砧子、接头、岩心外管中应力波传播的特征曲面方程（波阵面）
• 5.3 应力波在有界面的空间中的传播
• 5.4 本章小结
• 第6章 液动锤与钻头的匹配问题
• 6.1 三维应力波传播特征与牙轮钻头齿的设计之间的关系
• 6.1.1 单牙轮钻头的单次破碎岩石过程
• 6.1.2 重复破碎岩石的过程
• 6.1.3 三维应力波传播特征与牙轮钻头碎岩的协调性
• 6.2 在大直径钻井中牙轮钻头是与液动锤最匹配的钻头
• 第7章 液动锤冲锤部分的优化设计
• 7.1 冲击锤锤体长度的优化设计
• 7.2 冲锤重量及行程的优化设计
• 7.3 理论计算数据与实际数据比较
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论
• 致谢
• 参考文献