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摘要：我国地大物博矿藏资源丰富，随着露天开采技术与装备的发展，越来越多的矿藏被发掘开采。露天开采应用范围越来越广泛，露天开采所占的比重也越来越大。目前露天开采技术己经广泛用于开采煤炭、金属矿、冶金辅助原料、建筑材料及化工原料等矿床。对露天矿用钻机钻具接头螺纹连接处因接触压力过大引发粘扣、磨损等现象，采用数值模拟方法，以LWD-200B 钻机为研究对象，应用有限元软件 ANSYS，对牙型的螺纹建立轴对称接触模型，考虑台肩受力分析并得出在轴向工作载荷条件下螺纹牙的受力分布不均匀及有应力集中的规律，得到台肩受力和螺纹牙受力的关系.对牙型 v-0.038R 螺纹进行了增大螺距的参数优化.对优化后的螺纹进行数值模拟，并将其应用到现场实践，数值模拟和现场应用结果表明，新的优化方案有效地改善了接头处应力集中与分布不均现象.钻机使用螺纹优化后的钻具，现场的粘扣、磨损等情况明显减轻。
关键词：露天矿用钻机;接触分析;接头螺纹
钻机是露天矿开采中使用的重要钻孔设备，钻机在工作过程中钻具为其主要工作部件，需要频繁的拆卸，由于工作时螺纹牙受载过大，钻具拆卸时经常发生粘扣现象导致拆卸困难，影响工作进度，造成严重浪费。因此考虑台肩受力影响研究钻具接头螺纹的接触应力分布规律，得到粘扣发生的根本原因，进行结构参数优化，改善粘扣现象延长钻具的使用寿命，提高经济效益。
一、接头螺纹
很多国内学者耐钻杆接头中的应力集中问题也做了大量的有效性研究。得出了很多与实际相符合的结论，对钻杆接头的缺陷影响其使用寿命做了试验研究，针对钻杆接头台肩处存在的外加厚过波带不全及几何缺陷，用电阻应变片测试了在静态纯弯曲条件下的外加厚、内外加厚钻杆接头的应力及应变值，分别求得了相应的理论应力集中系数和有效应力集中系数。得出的数值表明钻杆接头台肩处的有效应力集中系数和理论应力集中系数基本一致。接触问题是生产和生活中普遍存在的力学问题。例如汽车轮胎和地面的接触，火车车轮和轮轨的接触，轴和轴承的接触，咕合齿轮巧面的相互接触，螺纹公扣和母扣的接触等。两个物体在接触界面上的相互作用是复杂的力学现象，也是发生损伤失效和破坏的主要原因，因此，接触问题是有限元法研究和发展的重要课题之一。接触问题在力学上表现为髙度的材料、几何、边界非线性问题，即除了大变形引起的材料非线性和几何非线性外，还有接触界面上的非线性，这是接触问题所特有的特点。接触界面非线性源于两个方面：其一，接触区域界面大小和接触状态不仅事先是未知的，而且是随着时间变化的，需要在求解过程中确定;其二，接触条件的非线性，接触条件的内容包括;接触物体的不可相互侵入，接触为的法向分量只能是压力，切向接触的摩擦条件，因为摩擦效应可能是无序的，所以，摩擦使问题的收敛性成为一个难点。有限元法把接触问题分为两种基本类型：刚体一柔体的接触，柔体一柔体的接触。在刚体一柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，与它接触的变形体相比，有大得多的刚度，就被认为是完全刚性的。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体一柔体的接触。柔体一柔体接触是一种更为普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体。一般情况下接触方式分为点一点接触，点一面接触，面一面接触。为了进行接触问题建模，首先必须认识模型中哪些部分可能会相互接触。
二、螺纹接头的有限元模型
1、螺纹参数。钻具连接处接头螺纹形式，连接方式与受力状态均相同，在工作时，钻杆与钻杆、钻杆与回转头的连接为频繁拆卸部位，当土石硬度变化较大或钻头损坏时需要拆卸钻头.经现场调研发现钻杆与钻杆连接处的外螺纹为粘扣和磨损最严重的部位，因此选钻杆与钻杆连接处接头螺纹为研究对象。钻具螺纹接头牙型选取的主要依据是 API SPEC 7 标准[1]，钻机使用外径 168 mm 的钻杆，选用v-0.038 一v-0.065 螺纹牙型进行对比分析钻具材料及参数见表。
三、模拟结果及分析
1、接触应力及结果。选取牙型 v-0.065 的螺纹接触压应力类似，为探究台肩处受力对螺纹牙载荷分布的影响规律，查看每种牙型螺纹台肩处和螺纹牙处的接触应力值。
Fj为接触压应力 MPa;Fi 为接触摩擦应力 MPa; Y 为从台肩处到螺纹端部牙号颗。
2、分析螺纹存在的问题，螺纹牙应力集中是造成螺纹粘扣的根本原因，接触应力分布不均匀，易引发疲劳破坏，台肩处受力小导致螺纹牙受力过大，对这些客观存在的问题，在 v-0.038R 的螺纹牙型基础上进行结构参数优化。
3、螺纹结构参数优化
（1）参数改进方案。从接头螺纹处的受力情况分析，即要改善螺纹牙应力集中和分布不均匀现象，又要使台肩处受力变大来减小螺纹牙受力，综合考虑，改变螺纹导成螺纹升角来达到改善目的.将螺纹从每英寸 4 颗牙改进为每英寸 3 颗牙，即将螺距从 6.350 mm 增大至 8.467 mm. 改变螺距后，相应参数由下列公式确定[2]：
（2）优化后的螺纹模型及分析结果。优化后螺纹牙应力集中现象明显改善，整体载荷分布更加均匀且小于优化前，数值远远小于材料屈服强度极限， 优化后台肩处接触压应力和接触摩擦应力都大于优化前的.计算优化前后螺纹牙处受力平均值并与台肩处接触应力。
4、应用结果。优化后的螺纹已经生产并应用到实践工作中，现场有优化前和优化后的螺纹同时被使用.经过一段时间的使用，观察优化前和優化后接头螺纹样貌，发现优化前的螺纹端部螺牙有大量的磨损，而且螺牙有粘扣痕迹和局部脱落现象，优化后外螺纹则没有现象出现。
结论
对露天矿用钻机螺纹进行了轴向工作载荷条件下的载荷分布规律研究，对牙型为v-0.038R 的螺纹进行结构参数优化，并进行现场应用与对比，得出结论如下：
（1）螺纹载荷分布规律相近，第一颗牙受力最大，依次降低中间受力最小，尾部稍大，承受了 40%～50%的接触应力，是螺纹粘扣的主要原因。
（2）台肩处受力较小.通过对比台肩和螺纹牙的受力得出：E 总=E 牙+E 台+E 损，台肩处承受越多应力对提高螺纹牙使用寿命越有好处。
（3）通过对牙型为 v-0.038R 螺纹结构参数优化，使得钻具台肩处承受更多的工作载荷，减小了钻具接头螺纹之间的接触应力;螺纹牙应力集中现象明显改善，而且应力分布也更为均匀。
（4）通过数值模拟分析和现场应用结果得到，对牙型 v-0.038R 螺纹的结构优化合理、可靠.减少了粘扣、磨损等不良现象出现的几率，达到了优化的目的，更好的保证钻具的安全使用，并延长了螺纹接头的使用寿命。
参考文献
[1] 刘洋，李大彬，黄崇君，等.钻杆螺纹的结构优化与有限元模拟[J].机械研究与应用，2019：25-27.
[2] 林元华，张林，罗增.双台肩钻具螺纹接头的力学性能分析及测试[J].机械设计与研究，2018，26（3）：61-63.
关键词：露天矿用钻机;接触分析;接头螺纹
钻机是露天矿开采中使用的重要钻孔设备，钻机在工作过程中钻具为其主要工作部件，需要频繁的拆卸，由于工作时螺纹牙受载过大，钻具拆卸时经常发生粘扣现象导致拆卸困难，影响工作进度，造成严重浪费。因此考虑台肩受力影响研究钻具接头螺纹的接触应力分布规律，得到粘扣发生的根本原因，进行结构参数优化，改善粘扣现象延长钻具的使用寿命，提高经济效益。
一、接头螺纹
很多国内学者耐钻杆接头中的应力集中问题也做了大量的有效性研究。得出了很多与实际相符合的结论，对钻杆接头的缺陷影响其使用寿命做了试验研究，针对钻杆接头台肩处存在的外加厚过波带不全及几何缺陷，用电阻应变片测试了在静态纯弯曲条件下的外加厚、内外加厚钻杆接头的应力及应变值，分别求得了相应的理论应力集中系数和有效应力集中系数。得出的数值表明钻杆接头台肩处的有效应力集中系数和理论应力集中系数基本一致。接触问题是生产和生活中普遍存在的力学问题。例如汽车轮胎和地面的接触，火车车轮和轮轨的接触，轴和轴承的接触，咕合齿轮巧面的相互接触，螺纹公扣和母扣的接触等。两个物体在接触界面上的相互作用是复杂的力学现象，也是发生损伤失效和破坏的主要原因，因此，接触问题是有限元法研究和发展的重要课题之一。接触问题在力学上表现为髙度的材料、几何、边界非线性问题，即除了大变形引起的材料非线性和几何非线性外，还有接触界面上的非线性，这是接触问题所特有的特点。接触界面非线性源于两个方面：其一，接触区域界面大小和接触状态不仅事先是未知的，而且是随着时间变化的，需要在求解过程中确定;其二，接触条件的非线性，接触条件的内容包括;接触物体的不可相互侵入，接触为的法向分量只能是压力，切向接触的摩擦条件，因为摩擦效应可能是无序的，所以，摩擦使问题的收敛性成为一个难点。有限元法把接触问题分为两种基本类型：刚体一柔体的接触，柔体一柔体的接触。在刚体一柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，与它接触的变形体相比，有大得多的刚度，就被认为是完全刚性的。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体一柔体的接触。柔体一柔体接触是一种更为普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体。一般情况下接触方式分为点一点接触，点一面接触，面一面接触。为了进行接触问题建模，首先必须认识模型中哪些部分可能会相互接触。
二、螺纹接头的有限元模型
1、螺纹参数。钻具连接处接头螺纹形式，连接方式与受力状态均相同，在工作时，钻杆与钻杆、钻杆与回转头的连接为频繁拆卸部位，当土石硬度变化较大或钻头损坏时需要拆卸钻头.经现场调研发现钻杆与钻杆连接处的外螺纹为粘扣和磨损最严重的部位，因此选钻杆与钻杆连接处接头螺纹为研究对象。钻具螺纹接头牙型选取的主要依据是 API SPEC 7 标准[1]，钻机使用外径 168 mm 的钻杆，选用v-0.038 一v-0.065 螺纹牙型进行对比分析钻具材料及参数见表。
三、模拟结果及分析
1、接触应力及结果。选取牙型 v-0.065 的螺纹接触压应力类似，为探究台肩处受力对螺纹牙载荷分布的影响规律，查看每种牙型螺纹台肩处和螺纹牙处的接触应力值。
Fj为接触压应力 MPa;Fi 为接触摩擦应力 MPa; Y 为从台肩处到螺纹端部牙号颗。
2、分析螺纹存在的问题，螺纹牙应力集中是造成螺纹粘扣的根本原因，接触应力分布不均匀，易引发疲劳破坏，台肩处受力小导致螺纹牙受力过大，对这些客观存在的问题，在 v-0.038R 的螺纹牙型基础上进行结构参数优化。
3、螺纹结构参数优化
（1）参数改进方案。从接头螺纹处的受力情况分析，即要改善螺纹牙应力集中和分布不均匀现象，又要使台肩处受力变大来减小螺纹牙受力，综合考虑，改变螺纹导成螺纹升角来达到改善目的.将螺纹从每英寸 4 颗牙改进为每英寸 3 颗牙，即将螺距从 6.350 mm 增大至 8.467 mm. 改变螺距后，相应参数由下列公式确定[2]：
（2）优化后的螺纹模型及分析结果。优化后螺纹牙应力集中现象明显改善，整体载荷分布更加均匀且小于优化前，数值远远小于材料屈服强度极限， 优化后台肩处接触压应力和接触摩擦应力都大于优化前的.计算优化前后螺纹牙处受力平均值并与台肩处接触应力。
4、应用结果。优化后的螺纹已经生产并应用到实践工作中，现场有优化前和优化后的螺纹同时被使用.经过一段时间的使用，观察优化前和優化后接头螺纹样貌，发现优化前的螺纹端部螺牙有大量的磨损，而且螺牙有粘扣痕迹和局部脱落现象，优化后外螺纹则没有现象出现。
结论
对露天矿用钻机螺纹进行了轴向工作载荷条件下的载荷分布规律研究，对牙型为v-0.038R 的螺纹进行结构参数优化，并进行现场应用与对比，得出结论如下：
（1）螺纹载荷分布规律相近，第一颗牙受力最大，依次降低中间受力最小，尾部稍大，承受了 40%～50%的接触应力，是螺纹粘扣的主要原因。
（2）台肩处受力较小.通过对比台肩和螺纹牙的受力得出：E 总=E 牙+E 台+E 损，台肩处承受越多应力对提高螺纹牙使用寿命越有好处。
（3）通过对牙型为 v-0.038R 螺纹结构参数优化，使得钻具台肩处承受更多的工作载荷，减小了钻具接头螺纹之间的接触应力;螺纹牙应力集中现象明显改善，而且应力分布也更为均匀。
（4）通过数值模拟分析和现场应用结果得到，对牙型 v-0.038R 螺纹的结构优化合理、可靠.减少了粘扣、磨损等不良现象出现的几率，达到了优化的目的，更好的保证钻具的安全使用，并延长了螺纹接头的使用寿命。
参考文献
[1] 刘洋，李大彬，黄崇君，等.钻杆螺纹的结构优化与有限元模拟[J].机械研究与应用，2019：25-27.
[2] 林元华，张林，罗增.双台肩钻具螺纹接头的力学性能分析及测试[J].机械设计与研究，2018，26（3）：61-63.