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新型瓦斯抽放鉆桿主要由3部分構(gòu)成，公接頭、桿體和母接頭、公母接頭與桿體采用變速旋轉(zhuǎn)和變頂鍛力控制的摩擦焊焊接方式，不僅避免了其他焊接方法的缺點(diǎn)，同時(shí)鉆桿接頭處的強(qiáng)度大大增加，不易斷裂。其公母接頭采用圓錐螺紋聯(lián)接，具有裝配容易、聯(lián)接強(qiáng)度高、密封性好等優(yōu)點(diǎn)。但一般圓錐螺紋聯(lián)接在扭矩或軸向載荷的作用下，各牙螺紋的受力很不均勻，常常會(huì)發(fā)生斷裂失效。因此，為了更好的提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度，避免螺紋過早失效，應(yīng)從研究螺紋的受力入手，減小應(yīng)力集中程度，使螺紋各牙受力均勻。
杭州那泰有限元分析公司結(jié)合彈性力學(xué)、材料力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)知識(shí)，建立了Φ73mm瓦斯抽放鉆桿公母接頭在扭矩和軸向起拔力作用下的模型，分析了各牙的受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新型瓦斯抽放鉆桿的聯(lián)接螺紋，并用有限元分析的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，為后期的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
鉆桿及聯(lián)接螺紋的幾種典型受力方式瓦斯鉆桿作為鉆進(jìn)過程中的主要傳力和受力部件，其在工作過程中的受力方式主要有預(yù)緊力、預(yù)緊力矩、軸向進(jìn)給力和扭矩、軸向起拔力。
公母接頭在實(shí)際旋合時(shí)，螺紋與螺紋之間的接觸面是空間螺旋曲面，其聯(lián)接部位受力復(fù)雜。為使問題得以簡(jiǎn)化，參考文獻(xiàn)在研究螺紋牙軸向力的分布式的模型，做出以下假定：假設(shè)公母接頭的螺旋升角為0；各螺紋牙承受集中力且變形在彈性范圍內(nèi)；忽略螺紋錐度的影響。
設(shè)公母接頭聯(lián)接處有效嚙合牙數(shù)為n，從母螺紋的頂部開始對(duì)管體和接箍的牙體進(jìn)行逐個(gè)編號(hào)，分別為公螺紋和母螺紋第x顆牙承載面上所承受的軸載荷力。
母接頭螺紋和公接頭螺紋在同一節(jié)螺距上的變形量不相等，隨著螺紋牙體的編號(hào)增大，母接頭螺紋變形量逐漸增大，而公接頭螺紋變形量逐漸減小。螺紋牙體的變形情況與螺距、截面積和牙體承載面受到的載荷有關(guān)。
對(duì)于Φ73mm的瓦斯抽放鉆桿，由于其桿體尺寸的限制，初步設(shè)計(jì)其尺寸，螺紋的中徑51mm，公母接頭接觸面等效直徑65mm，摩擦系數(shù)0.2，對(duì)普通三角形螺紋截面牙形半角30°。
當(dāng)n較小時(shí)，整體螺紋由于螺紋升角較大而自鎖性能不好；當(dāng)n較大時(shí)，雖然自鎖性可以保證，但螺紋升角較小，且在施加扭矩作用下折算后的軸向力較大容易發(fā)生破壞, 所以選擇n=4。
有限元法中常用的軸對(duì)稱模型對(duì)鉆桿接頭螺紋根部應(yīng)力分析具有一定的準(zhǔn)確性，但螺紋每一扣的根部應(yīng)力隨螺旋線的上升，在螺旋方向上存在差異，為了更真實(shí)地說明不同工況下螺紋受力情況，采用三維模型進(jìn)行數(shù)值仿真。用Pro/E建立公母接頭的3D模型并進(jìn)行裝配,大小與尺寸嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸進(jìn)行,利用 Pro/E和ANSYS Workbench的無(wú)縫鏈接,將裝配模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。
接觸類型的設(shè)置與網(wǎng)格劃分ANSYS Workbench中對(duì)接觸有5種類型，本次選擇接觸類型為Frictional，摩擦系數(shù)為0.2, 公母接頭材料為42CrMo且各向同性，介質(zhì)均勻。取彈性模量210GPa，泊松比0.28，密度7.85g/mm3。網(wǎng)格劃分 Element sizing設(shè)置為2mm，網(wǎng)格劃分后得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為96227，單元數(shù)為59621。
實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于鉆頭一般為母接頭并與鉆桿公接頭聯(lián)接，所以可簡(jiǎn)化為公接頭向母接頭傳遞力與力矩，將母接頭螺紋端面進(jìn)行全約束，在公接頭的斷面施加力矩和起拔力對(duì)整體進(jìn)行分析。按照2種工況施加載荷，鉆機(jī)最大扭矩4000Nm；鉆機(jī)最大起拔力123kN。
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