[发明专利]声波钻钻柱临界面积与极大应力接头的判断方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种声波钻钻柱临界面积与极大应力接头的判断方法，可以用于判断声波钻钻柱接头处是否出现极大应力，并给出声波钻钻柱的最小的临界面积。

背景技术

声波钻进(Sonic Drilling)又称为回转声波钻进。它利用高频振动，低速回转和压力三者结合起来实现钻进。这种技术目前主要用于环境钻探，在地基勘察、砂矿物探、爆破孔、水井建设和岩土施工等方面也有广泛的应用。

随着国内大型基础工程和环境保护工程施工的迅速增加，对土壤环境的无扰动原状取样越来越受到业界的重视，推动了声波钻进技术装备在我国基础勘察行业的应用，但鲜见国内外公开发表的声波钻进技术的系统理论研究。声波钻振动器振动频率通常为50-150Hz，当振动器的振动频率与钻柱的固有谐振频率相同时，就会发生共振，把极大的能量传递给钻头，实现高速钻进。同时，钻柱在高频激振力下保持共振状态，钻柱内部会产生极大交变应力，使钻杆产生裂纹甚至断裂，降低钻杆寿命。

为了确保声波钻进钻柱的安全，我们提出了一种声波钻钻柱临界面积与接头出现极大应力的判断方法。在声波钻钻柱设计过程中可以确定钻杆临界面积，并判断钻柱极大应力接头的出现位置，避免使用过程中螺纹接头由于应力集中出现裂纹或断裂，有利于在应用声波钻进技术的过程中提高钻进效率，并减少声频振动对机具的危害。

发明内容

本发明的目的是提供一种声波钻钻柱临界面积与极大应力接头的判断方法。本发明能够有效的从理论上确定声波钻钻柱的临界面积与判断钻杆螺纹接头是否出现极大应力，应用理论来指导声波钻钻杆设计，确保钻杆临界面积并预测钻柱内部极大应力出现位置，采用本发明可以提高声波钻钻柱使用安全性和疲劳寿命。

本发明的技术方案大致如下：

包括如下几个基本步骤：(a)建立声波钻钻柱的纵向受迫振动简化数学模型；(b)给定声波钻钻柱总长度、单根钻杆长度及材料屈服极限等参数；(c)采用相关软件进行声波钻钻柱极大应力位置及临界面积的编程计算。本发明能够有效的从理论上确定声波钻钻柱临界面积与钻杆接头是否出现极大应力，具有理论指导设计与生产施工的作用。

上述方案中，具体操作如下：

(a)声波钻钻进过程中柔体钻柱上端可以沿着桅杆导轨直移滑动，视其为移动铰支，钻柱及其下端的钻头受到土体液化的粘滞流体边界约束较弱，可视其为自由端或直移副；

引入具有筛选性δ函数，将顶部声频振动器的激振力F(t)＝m_eω²sinωt变为分布力的形式，满足：

f(x,t)=meω2sinωtδ(x)=meω2sinωtx=00x≠0]]>  式(1)

式(1)中：x为分布力所在截面距钻柱上顶定点的距离，单位(n)；t为时间，单位(s)；m_e为声频振动器偏心质量总静矩，单位为(kg*m)；ω为激振力角频率，单位为弧度/秒；

等截面声波钻柱在纵向分布载荷f(x，t)作用下的纵向振动微分方程为