薛明星

摘 要：鉆具是地質(zhì)勘測中較常用的工具之一，它主要是借助螺紋旋轉(zhuǎn)，消除鉆具做功中阻力的方式進(jìn)行鉆探.隨著該項(xiàng)技術(shù)的逐步推廣，設(shè)備逐步呈現(xiàn)出適用范圍廣、靈活度較高等特征?；诖?，本文結(jié)合甘肅省地礦局第二勘查院的研究資料，著重從結(jié)合鉆具正弦波形螺紋的成形原理理論，以及鉆具的牙形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)方面進(jìn)行探究，以達(dá)到充分把握技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探工作高效率、高質(zhì)量完成的目的。

關(guān)鍵詞：鉆具；正弦波形螺紋原理；牙形

中圖分類號(hào)：TE921.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）05-0074-02

0 引言

地質(zhì)勘探工具的不斷優(yōu)化，是社會(huì)資源廣泛性、深入性開發(fā)的外部條件，它不僅影響著地質(zhì)勘測項(xiàng)目的探索效率，也對(duì)地質(zhì)勘測成本的節(jié)約有著助推作用。而鉆具作為當(dāng)代地質(zhì)環(huán)境勘測與探索中較常見的工具，自然也成為新時(shí)期技術(shù)手段優(yōu)化的代表物品，由此，由原理到設(shè)計(jì)要點(diǎn)的梳理分析，將為地質(zhì)勘測技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用提供借鑒。

1 鉆具正弦波形螺紋的成形原理及牙形研究價(jià)值

鉆具正弦波形螺紋設(shè)計(jì)，主要利用了螺旋結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)做功時(shí)，可消除垂直做功時(shí)產(chǎn)生的阻力，實(shí)現(xiàn)了高效率、低損耗的做功。隨著現(xiàn)代地質(zhì)勘探中鉆具的形式不斷變化，設(shè)備開發(fā)也來越向著人性化、靈活性的趨向轉(zhuǎn)變，為此，設(shè)別研究時(shí)必須要在鉆具設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)入手，綜合分析鉆具探究的有效策略，方能夠解決當(dāng)前鉆具應(yīng)用中的不足，優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

同時(shí)，鉆具正弦波形螺紋旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)變化情況，將直接對(duì)鉆具的牙形弧度，牙形行走軌跡等方面產(chǎn)生相應(yīng)的影響。因而，想要更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鉆具在功率優(yōu)化層面取得的成績，就必須要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行螺紋設(shè)計(jì)形態(tài)的要點(diǎn)分析與調(diào)節(jié)。以上兩方面內(nèi)容，是從鉆具正弦波形螺紋設(shè)計(jì)問題分析與功率實(shí)踐探究的層面，對(duì)本篇文章的探究價(jià)值進(jìn)行歸納。

2 鉆具正弦波形螺紋的成形原理探究

2.1 鉆具正弦波形螺紋的設(shè)計(jì)原理

正弦波形螺紋工藝，是借助圓球與螺桿的加工方法，進(jìn)行加工鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。一方面，當(dāng)代地質(zhì)勘測中的所用到的正弦波形螺紋鉆具，主要是以中心高，兩側(cè)與中心平行分布開的走刀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)中心刀具進(jìn)行周期旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)兩側(cè)刀具螺紋平面轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊物質(zhì)的“切割”。如，正弦波形螺紋鉆具進(jìn)行做功時(shí)，鉆具兩側(cè)的螺旋紋理是相同的，就像是一個(gè)對(duì)折的螺紋花朵一樣，正是正弦波形螺紋鉆具這一設(shè)計(jì)原理的體現(xiàn)。另一方面，鉆具正弦波形螺紋，是按照中心圓設(shè)計(jì)法，將圓的半徑作為外部正弦波形螺紋旋轉(zhuǎn)的長度。當(dāng)中心軸在某處定點(diǎn)后，正弦波形螺紋鉆具以此作為定點(diǎn)圓心，以“固定”半徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)做功。

結(jié)合以上對(duì)鉆具正弦波形螺紋的分析可知：為進(jìn)一步優(yōu)化地質(zhì)勘探鉆具設(shè)備的強(qiáng)度和力度，就必須要把握正弦波形螺紋兩側(cè)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，以及中心圓的旋轉(zhuǎn)半徑。

2.2 鉆具正弦波形螺紋的模型原理

對(duì)鉆具正弦波形螺紋的模型原理進(jìn)行分析，也可以借助波形螺紋虛擬坐標(biāo)法進(jìn)行螺紋成型情況的探究。首先以鉆具核心區(qū)域?yàn)閳A心，建立三維直角坐標(biāo)系，將螺波紋圓柱旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)線作為橫坐標(biāo)（X），以中心螺紋旋轉(zhuǎn)半徑為縱坐標(biāo)（Y），以正弦波形旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，作為鉆具正弦波旋轉(zhuǎn)變化的空間坐標(biāo)（Z）。當(dāng)鉆具按照正弦波形螺旋做功時(shí)，就會(huì)形成相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，而這些坐標(biāo)點(diǎn)也就是鉆具鉆孔時(shí)，做功所走的路線。

鉆具正弦波形螺紋做功時(shí)，在虛擬坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)做功的點(diǎn)越多，且坐標(biāo)中的點(diǎn)左右對(duì)稱的效果越好，說明鉆具正弦波形螺紋旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的有用功也越多，損耗的也就越少。

3 鉆具正弦波形螺紋的牙形設(shè)計(jì)分析

為充分彰顯鉆具正弦波形螺紋設(shè)計(jì)優(yōu)勢，就必須要在螺旋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)分析時(shí)，全方位把握正弦波形螺紋的牙形設(shè)計(jì)要點(diǎn)。筆者將其歸納為：

3.1 正弦波牙形拐點(diǎn)設(shè)計(jì)分析

按照鉆具波形螺紋設(shè)計(jì)模型，我們可按照偏心量E，圓心O在圍繞X軸運(yùn)動(dòng)的軌跡方程表示為：y-Esinα=RsinβT（1）；Z-Ecosα=RcosβT（2）；X=BT（3）[1]。其中“B”表示螺紋沿X軸的運(yùn)動(dòng)速度，“α”表示螺紋中心線與坐標(biāo)圓心O的連線夾角，“Z”表示曲面螺紋繞X軸運(yùn)作一周后，在X軸移動(dòng)上的一個(gè)螺距大小[2]。這樣，當(dāng)鉆具波紋拐點(diǎn)與平行X軸之間保持同規(guī)律的曲線變化趨向時(shí)，則螺紋波形變化過程中，所產(chǎn)生的螺紋波形也就符合以上（1）-（3）的公式規(guī)律。若鉆具實(shí)際做功時(shí)，并不能保障螺紋波形變化與牙形函數(shù)體系之間的協(xié)調(diào)變化，則說明此時(shí)螺紋做功與螺紋運(yùn)轉(zhuǎn)的趨向變化規(guī)律不同，螺紋波形牙形之間的匹配程度也相對(duì)較低，此時(shí)，鉆具做功期間所進(jìn)行的有用功比例自然也較低。

若我們利用正弦螺旋波動(dòng)對(duì)正弦波牙形拐點(diǎn)進(jìn)行判斷，可將其歸納為：正弦螺旋波點(diǎn)的拐點(diǎn)變化時(shí)，必須按照F（x）=Esin（2πX/T）+R2=E2cos2（2πX/T）的順序進(jìn)行計(jì)算[3]。若正弦螺旋波動(dòng)牙形拐點(diǎn)位置，與正弦拐點(diǎn)計(jì)算之間的關(guān)系不相符，則正弦螺旋波動(dòng)的螺旋過程，自然也就不是兩側(cè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行螺旋做功了。為避免正弦螺旋波動(dòng)牙形變化時(shí)，出現(xiàn)鉆具做功損耗問題，就必須要在正弦螺旋波動(dòng)鉆具設(shè)計(jì)期間，注意正弦螺旋波動(dòng)的拐點(diǎn)變化對(duì)應(yīng)情況。

3.2 正弦波螺紋牙形側(cè)角設(shè)計(jì)分析

依據(jù)正弦波形變化的規(guī)律可知：正弦波形是按照周期圓的變化規(guī)律，進(jìn)行螺旋旋轉(zhuǎn)的過程。將鉆具正弦螺旋波動(dòng)設(shè)計(jì)為這一形態(tài)，主要也是利用了正弦螺旋周期變化過程，不會(huì)受到周圍外部阻力的影響，而突出正弦螺旋波動(dòng)變化的優(yōu)勢，以提高正弦螺紋變化的周期做功效率性。但正弦螺旋波動(dòng)的變化，又主要是以立體做功形態(tài)進(jìn)行正弦螺旋變化，與正弦平面圖形對(duì)比而言，立體圖形進(jìn)行正弦螺旋波動(dòng)情況分析時(shí)，需考慮到立體平面角度的變化，與正弦螺紋周期做功之間的關(guān)系。

首先，假定鉆具正弦螺旋波動(dòng)角為S，且當(dāng)S滿足sinS =TG/F（X）的規(guī)律時(shí)，說明S是鉆具做功時(shí)的最大角度[4]。其中S表示螺旋波紋與圓心周期做功之間的夾角，F(xiàn)（X）表示正弦螺紋周期旋轉(zhuǎn)的螺紋牙形變化情況。其次，計(jì)算S為正弦螺旋波動(dòng)角的大小，鉆具每一次周期旋轉(zhuǎn)做功過程，均可以將其看作是一個(gè)平整的周期旋轉(zhuǎn)過程。若后續(xù)對(duì)正弦螺旋波動(dòng)做功測量時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)正弦螺旋波動(dòng)角變化值有>S的，也進(jìn)一步驗(yàn)證了鉆具正弦螺旋波動(dòng)旋轉(zhuǎn)做功過程，正處于最優(yōu)做功狀態(tài)，此時(shí)鉆具正弦螺旋波動(dòng)角值最大。

3.3 正弦波牙形波峰與波谷設(shè)計(jì)分析

我們對(duì)正弦周期旋轉(zhuǎn)情況分析時(shí)，也需對(duì)正弦螺旋波動(dòng)的牙形波峰與波谷情況進(jìn)行探究。

3.3.1 正弦波牙形波峰分析

當(dāng)正弦螺旋波動(dòng)鉆具處于周期做功狀態(tài)時(shí)，牙形會(huì)在規(guī)定的周期做功范圍內(nèi)，確定一個(gè)做功最高點(diǎn)和做功最低點(diǎn)。即我們?cè)谡以聿糠址治龅淖畲笾岛妥钚≈?。我們?duì)正弦牙形波峰變化情況分析時(shí)，必須考慮到正弦螺旋波動(dòng)的變化條件。這是由于其自身并不會(huì)區(qū)分哪一個(gè)是最優(yōu)值，哪一個(gè)是最低值，而是要依據(jù)正弦螺旋波動(dòng)的具體變化情況，進(jìn)行相應(yīng)的正弦螺旋波動(dòng)值探究。由此，我們可通過假定一個(gè)具體的鉆具做功過程條件法，對(duì)其牙形波峰進(jìn)行判定。如規(guī)定范圍內(nèi)正弦螺旋波動(dòng)的周期判定結(jié)果與當(dāng)前鉆具做功情況相互吻合，說明鉆具正弦螺旋波動(dòng)的牙形處于最佳狀態(tài)；反之，說明勘測點(diǎn)并不是鉆具做功最佳范圍。

3.3.2 正弦波牙形波谷分析

與正弦螺旋波動(dòng)的波峰分析相比，鉆具的正弦螺旋波動(dòng)峰谷是一個(gè)變化范圍。即，鉆具在持續(xù)性做功過程中，按照某一特定的周期做功時(shí)，三維坐標(biāo)中的正弦螺旋波動(dòng)點(diǎn)，始終與標(biāo)準(zhǔn)波值之間存在著一些偏差。此時(shí)，說明鉆具的正弦周期旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，并未按照正弦旋轉(zhuǎn)做功的一般要求進(jìn)行周期做功，而是借助正弦調(diào)整值的變化，繼續(xù)進(jìn)行鉆具維持性做功。因而，無論正弦做功狀態(tài)是否與實(shí)際需求相互吻合，此時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不必要的損耗功。

3.4 正弦波牙形半徑設(shè)計(jì)分析

3.4.1 整體做功視角分析

正弦螺旋波動(dòng)的牙形半徑分析，也是鉆具設(shè)計(jì)探究中需解析的內(nèi)容。從鉆具的整體做功視角而言，當(dāng)正弦螺旋波動(dòng)的周期與牙形設(shè)計(jì)的周期相同時(shí)，牙形周期旋轉(zhuǎn)就會(huì)在正弦螺旋設(shè)計(jì)框架內(nèi)，此時(shí)自然也就不會(huì)對(duì)正弦螺旋波動(dòng)周邊區(qū)域產(chǎn)生相應(yīng)的磨損。若鉆具的周期旋轉(zhuǎn)過程與正弦螺旋波動(dòng)不相符合，就會(huì)出現(xiàn)局部邊緣與牙形不相符的情況。即，鉆具每一次做功時(shí)，都將會(huì)對(duì)周邊區(qū)域產(chǎn)生相應(yīng)的磨損。

3.4.2 局部做功視角分析

為確保鉆具在地質(zhì)勘測過程中可準(zhǔn)確定位、精準(zhǔn)勘測，就必須要在對(duì)鉆具正弦波形螺紋進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)鉆具的牙形半徑進(jìn)行設(shè)計(jì)要點(diǎn)控制。首先，鉆具內(nèi)部半徑的分析。即，以鉆具中心為基礎(chǔ)的，正弦波核心鉆具每周的周期旋轉(zhuǎn)做功強(qiáng)度探究。進(jìn)行鉆具正弦波形螺紋牙形分析時(shí)，盡量將牙形設(shè)計(jì)的內(nèi)圓心周期轉(zhuǎn)動(dòng)空間預(yù)留出來，這樣就可以避免鉆具正弦波形螺紋做功時(shí)，對(duì)鉆具周邊平行物體產(chǎn)生磨損了。其次，鉆具外部半徑的分析。

值得注意的是，鉆具正弦波形螺紋的外部半徑設(shè)計(jì)，需滿足外部鉆具螺紋半徑設(shè)計(jì)部分，要包括內(nèi)部半徑螺紋設(shè)計(jì)部分。否者，設(shè)計(jì)完成的鉆具正弦波形螺紋結(jié)構(gòu)，極易出現(xiàn)內(nèi)部螺紋與外部螺紋坐標(biāo)定點(diǎn)不同，做功效果也不同的情況，損耗鉆具正弦波形螺紋做功強(qiáng)度。

3.5 正弦波牙形螺紋螺距設(shè)計(jì)分析

正弦波牙形螺紋的螺距設(shè)計(jì)，也是鉆具正弦波形螺紋分析的主要方面。

其一，鉆具正弦波形螺紋的螺距設(shè)計(jì)，是指鉆具兩側(cè)的波紋刀具排列情況。即，鉆具正弦波形螺紋設(shè)計(jì)時(shí)，正弦螺紋一周旋轉(zhuǎn)的螺紋調(diào)控?cái)?shù)量，與鉆具的做功強(qiáng)度是否相互吻合。如，某鉆具的做功強(qiáng)度為10000W，則正弦波紋兩側(cè)的螺紋強(qiáng)度也應(yīng)將兩側(cè)強(qiáng)度保持在10000W左右。

其二，鉆具正弦波形螺紋的螺距設(shè)計(jì)，是指兩側(cè)螺紋紋路之間預(yù)留的空間大小。一般來說，只要鉆具正弦波形螺紋的螺距滿足F（X）=Esin（2πX/T）的公式，就說明此時(shí)鉆具正弦波形螺紋的螺距設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定做功標(biāo)準(zhǔn)。否則，就無法證明正弦波牙形螺紋螺距設(shè)計(jì)，與鉆具正弦之間保持著協(xié)調(diào)的做功狀態(tài)。

即，對(duì)地質(zhì)勘測中正弦波牙形螺紋探究與分析時(shí)，不僅要考慮到鉆具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上的特征，也需考慮到正弦波牙形螺紋實(shí)際應(yīng)用中做功狀況的吻合度。

4 結(jié)語

綜上所述，鉆具正弦波形螺紋的成形原理及牙形分析，是社會(huì)地質(zhì)勘探技術(shù)實(shí)踐中開發(fā)的技術(shù)要點(diǎn)歸納，它為社會(huì)地質(zhì)資源探究提供了研究方向。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合鉆具正弦波形螺紋的成形設(shè)計(jì)原理和模型原理，將鉆具正弦波形螺紋牙形設(shè)計(jì)要點(diǎn)歸納為：正弦波牙形拐點(diǎn)設(shè)計(jì)分析、側(cè)角設(shè)計(jì)分析、波峰與波谷設(shè)計(jì)、半徑設(shè)計(jì)、螺紋螺距設(shè)計(jì)五方面。因此，本篇關(guān)于鉆具螺紋設(shè)計(jì)的內(nèi)容探究，將為當(dāng)代地質(zhì)勘測技術(shù)方法創(chuàng)新提供探索新思路。

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