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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，同時鉆桿接頭處的強度大大增加，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)接強度高、密封性好等優(yōu)點。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，常常會發(fā)生斷裂失效。因此，為了更好的提高螺紋聯(lián)接強度，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，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，設(shè)計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行了驗證，為后期的改進設(shè)計提供理論依據(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、軸向進給力和扭矩、軸向起拔力。
公母接頭在實際旋合時，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。為使問題得以簡化，參考文獻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管體和接箍的牙體進行逐個編號，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)。
對于Φ73mm的瓦斯抽放鉆桿，由于其桿體尺寸的限制，初步設(shè)計其尺寸，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，對普通三角形螺紋截面牙形半角30°。
當(dāng)n較小時，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，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稱模型對鉆桿接頭螺紋根部應(yīng)力分析具有一定的準確性，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，為了更真實地說明不同工況下螺紋受力情況，采用三維模型進行數(shù)值仿真。用Pro/E建立公母接頭的3D模型并進行裝配,大小與尺寸嚴格按照圖紙尺寸進行,利用 Pro/E和ANSYS Workbench的無縫鏈接,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)點數(shù)為96227，單元數(shù)為59621。
實際生產(chǎn)過程中，由于鉆頭一般為母接頭并與鉆桿公接頭聯(lián)接，所以可簡化為公接頭向母接頭傳遞力與力矩，將母接頭螺紋端面進行全約束，在公接頭的斷面施加力矩和起拔力對整體進行分析。按照2種工況施加載荷，鉆機最大扭矩4000Nm；鉆機最大起拔力123kN。
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