沖旋鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)其壽命及破巖效率的影響研究

徐海良, 鄭 義, 趙宏強(qiáng), 徐紹軍

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

沖旋鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)其壽命及破巖效率的影響研究

徐海良, 鄭 義, 趙宏強(qiáng), 徐紹軍

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為研究氣體沖旋鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)其破巖性能的影響,文章采用非線性有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA,以巖石力學(xué)和有限元理論為基礎(chǔ),選擇適合巖石侵徹問(wèn)題的Drucker-Prager本構(gòu)模型,建立了氣體沖旋鉆頭破巖的有限元模型,模擬不同結(jié)構(gòu)氣體沖旋鉆頭破巖的過(guò)程，得到了鉆頭破巖過(guò)程中力與時(shí)間的變化曲線以及平均力、比能隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的曲線;當(dāng)?shù)?齒面傾角取25°、第3齒面傾角取44°、露齒高度取7.25 mm、鉆齒半徑取6.75 mm時(shí),鉆頭所受的阻力平均值和鉆頭破巖所需比能較小,有利于延長(zhǎng)氣體沖旋鉆頭的使用壽命,并能提高能量利用率。

沖旋鉆頭;ANSYS/LS-DYNA軟件;有限元;齒面傾角;載荷波動(dòng)

為了解決硬質(zhì)地層中非開(kāi)挖擴(kuò)孔的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新型擴(kuò)孔設(shè)備——反向擴(kuò)孔氣動(dòng)沖擊器[1]。該設(shè)備將沖擊和旋轉(zhuǎn)相結(jié)合進(jìn)行破巖,活塞在高壓氣體的推動(dòng)下快速周期運(yùn)動(dòng),快速運(yùn)動(dòng)的活塞能夠產(chǎn)生很大的沖擊力,作用于鉆頭上,使得鉆頭與巖石的接觸應(yīng)力瞬時(shí)達(dá)到最大值,造成巖石較大的體積破碎,同時(shí)鉆頭在水平定向鉆機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)切削巖石,實(shí)現(xiàn)沖擊加旋轉(zhuǎn)的破巖方式,極大地提高了碎巖效率[2-3]。但是由于對(duì)破巖機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究不足,導(dǎo)致缺乏較好地適用于該設(shè)備的鉆具[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)復(fù)雜的物理模型進(jìn)行研究成為可能[5]。

文獻(xiàn)[6]對(duì)沖旋鉆頭在單純沖擊載荷作用下的破巖效率進(jìn)行了研究,但沒(méi)有考慮鉆頭在沖擊和旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下所受的載荷;文獻(xiàn)[7]研究了單個(gè)刀齒以不同的安裝角及不同的鉆進(jìn)速度破巖時(shí)刀頭的受力情況,但對(duì)鉆頭的露出高度、鉆頭大小沒(méi)做相應(yīng)的研究。在擴(kuò)孔過(guò)程中,鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)齒面傾角、露齒高度和鉆齒半徑會(huì)影響鉆頭的受力和比能。而鉆頭的受力和比能對(duì)鉆頭的使用壽命、能源利用率產(chǎn)生影響,進(jìn)而決定了工程進(jìn)度和成本。

因此，本文針對(duì)鉆頭的齒面傾角、露齒高度、鉆齒半徑展開(kāi)研究,從而確定合適的鉆頭結(jié)構(gòu),以提高反向擴(kuò)孔氣動(dòng)沖擊器的整體性能。

1 鉆頭結(jié)構(gòu)及工作原理

反向擴(kuò)孔氣動(dòng)沖擊器鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆頭由刀體和嵌在刀體上的球齒組成,鉆頭前端分三級(jí)齒面,每個(gè)齒面上都嵌有球齒,以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)擴(kuò)孔的功能。鉆頭上設(shè)計(jì)了3條排氣管道,不僅能排出沖擊器內(nèi)的尾氣,而且能夠?yàn)榕判剂鲌?chǎng)提供入口氣流。圖1中鉆頭的關(guān)鍵參數(shù)有第2齒面傾角α(第2齒面與第1齒面的夾角)、第3齒面傾角β(第3齒面與第1齒面的夾角)、露齒高度h、鉆齒半徑r。

在工作過(guò)程中,第1齒面的齒尖最先與巖石接觸,并將力作用于巖石的表面,由于作用力屬于瞬時(shí)沖擊動(dòng)載荷,與刀齒接觸的巖石瞬時(shí)就達(dá)到了其屈服極限,接觸區(qū)域周圍的巖石瞬間被壓碎,形成破碎區(qū),隨著球齒鉆入巖石,2個(gè)側(cè)面的齒開(kāi)始與巖石接觸。在鉆頭的沖擊力、摩擦力和切削力的共同作用下逐級(jí)擴(kuò)孔。

圖1 沖旋鉆頭結(jié)構(gòu)

2 鉆齒的受力分析

沖旋鉆頭的鉆齒由實(shí)心半球和圓柱組成,一部分通過(guò)過(guò)盈配合嵌入鉆頭,與鉆頭軸線的角度為鉆齒傾角γ,球形鉆齒的半徑為r,露齒高度(整個(gè)牙齒高度減去嵌入鉆頭那部分高度)為h。球形鉆齒對(duì)巖石的軸向載荷來(lái)源于沖擊器活塞沖擊鉆頭產(chǎn)生的沖擊力[7],因此巖石對(duì)球形鉆齒的軸向載荷方向向左,大小為P,鉆齒破巖石時(shí)隨著鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng),巖石對(duì)齒有水平載荷,方向垂直紙面向外,大小為F。球形鉆齒與巖石互作用示意圖如圖2所示。

圖2 球形鉆齒與巖石相互作用示意圖

3 建立仿真模型

3.1 三維實(shí)體模型的建立

在Pro/E中建立鉆頭及巖石的幾何模型,巖石采用500mm×500mm×120mm的長(zhǎng)方體。將模型導(dǎo)入HyperMesh中,在HyperMesh中對(duì)刀體、鉆齒以及巖石分別采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格,生成有限元模型,如圖3所示。刀體、鉆齒以及巖石均為實(shí)體模型,單元類型選取Solid164。應(yīng)用單點(diǎn)高斯積分的單元,它能夠較好地適用于大變形、材料失效以及接觸等非線性問(wèn)題。為了避免產(chǎn)生沙漏問(wèn)題,采用總體附加剛度，使總體砂漏不超過(guò)模型總體內(nèi)能的10%[8]。

圖3 鉆頭和巖石的有限元模型

3.2 模型材料的定義

本文中刀齒材料采用YG15硬質(zhì)合金,因?yàn)殂@頭的強(qiáng)度和硬度遠(yuǎn)大于巖石的強(qiáng)度和硬度,破巖過(guò)程中鉆頭形變量非常小,且仿真過(guò)程的目的在于分析鉆頭的受力,而不是鉆頭的變形,所以將鉆齒和鉆頭都視作剛體,以縮短計(jì)算時(shí)間。用*CONSTRAINED-RIGID-BODIES將2個(gè)剛體連接起來(lái),并對(duì)鉆頭的X、Y位移約束和X、Y、Z轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行約束[9]。

本文巖石采用線性Drucker-Prager模型,它能夠反映巖石的基本特性,將相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置作為巖石的材料參數(shù),用于模擬巖石材料本構(gòu)。相應(yīng)的材料參數(shù)見(jiàn)表1所列。添加失效模型MAT-ADD-EROSION,控制主應(yīng)力為20MPa來(lái)模擬裂紋的擴(kuò)展,即認(rèn)為當(dāng)巖石受到的主應(yīng)力超過(guò)材料失效準(zhǔn)則所設(shè)定的主應(yīng)力之后,單元失效刪除。

表1 材料參數(shù)

3.3 定義接觸、邊界條件及載荷、求解時(shí)間

3.3.1 定義接觸

在K文件中添加*CONTACT-ERODING-SURFACE-TO-SURFACE,即將鉆齒和巖石之間的接觸類型定義為面對(duì)面的侵蝕接觸,來(lái)模擬鉆頭破碎巖石過(guò)程。

3.3.2 定義邊界條件及載荷

將巖石的底面全約束,限制巖石的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。為了避免在巖石模型的邊界產(chǎn)生的人工應(yīng)力波反射重新進(jìn)入模型從而破壞結(jié)果,設(shè)定巖石模型外表面為非反射邊界條件,以模擬無(wú)限域。

為了實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給2種運(yùn)動(dòng),定義鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度n=150r/min和鉆進(jìn)18mm,并限制其他4個(gè)自由度。

3.3.3 求解控制設(shè)置

為了充分模擬鉆頭在破巖過(guò)程中的受力狀況,添加關(guān)鍵字*CONTROL-TERMINATION,并設(shè)置求解時(shí)間為0.4s。

4 氣體沖旋鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析

在破巖過(guò)程中,鉆頭所受的平均阻力大小以及比能是判斷鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的依據(jù)。比能是指破碎單位體積巖石所消耗能量,該值越小,說(shuō)明所需的能量越小,鉆頭結(jié)構(gòu)越合理[10-11]。由于本文采用體積相等的單元?jiǎng)澐謳r石,單元數(shù)目間接反映了體積的大小。為了便于計(jì)算,將破碎刪除單位個(gè)數(shù)的單元所需能量記為We,其值越小,說(shuō)明所需的能量越小,鉆頭結(jié)構(gòu)越合理。下面對(duì)鉆頭破巖的主要影響因素逐一進(jìn)行分析。

4.1 第2齒面傾角α

圖4 α不同時(shí)阻力隨時(shí)間變化的曲線

圖5 平均阻力和比能隨第2齒面傾角變化的曲線

由圖4和圖5可知,隨著第2齒面傾角的增加,第2個(gè)主波峰數(shù)值增大,出現(xiàn)的時(shí)間越來(lái)越靠后；第3個(gè)主波峰數(shù)值變小，出現(xiàn)的時(shí)間也越來(lái)越靠后。這是由于隨著第2齒面傾角的增加,齒面上的鉆齒與巖石的相對(duì)位置越來(lái)越靠后。鉆頭所受平均阻力隨著第2齒面傾角的增加逐漸減小。當(dāng)α=25°時(shí),鉆頭破巖所需要的比能耗最低。

4.2 第3齒面傾角β

圖6 β不同時(shí)阻力隨時(shí)間變化的曲線

圖7 平均阻力和比能隨第3齒面傾角變化的曲線

由圖6、圖7可知,由于第1齒面、第2齒面傾角不發(fā)生變化,因此前2個(gè)主波峰出現(xiàn)的時(shí)間基本一致,鉆頭所受阻力基本相等。隨著第3齒面傾角的增加,齒面上的鉆齒與巖石的相對(duì)位置越來(lái)越靠后,第3個(gè)主波峰出現(xiàn)的時(shí)間也越來(lái)越靠后,且阻力的最大值不斷增加。當(dāng)β為36°、38°、44°時(shí),鉆頭所受阻力較小,使用壽命增加；當(dāng)β為42°、44°時(shí),鉆頭破巖所需要的比能耗低。因此，在其他參數(shù)不變的情況下,第3齒面傾角取44°比較好。

4.3 露齒高度h

圖8 h不同時(shí)阻力隨時(shí)間變化的曲線

圖9 平均阻力和比能隨露齒高度變化的曲線

由圖8、圖9可知,3個(gè)主波峰出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)會(huì)隨著露齒高度的增加,而向前移動(dòng),但幅度不大。這是由于在同樣的齒面傾角下,露齒高度越高,鉆頭與巖石接觸的時(shí)間越早,鉆齒與巖石的接觸面積增加,引起破巖量的增多以及阻力的增大。鉆頭所受的平均阻力隨著露齒高度的增加而增加。當(dāng)h=7.25mm時(shí),鉆頭破巖時(shí)單位體積所需要的比能耗最低。

4.4 鉆齒半徑r

圖10 r不同時(shí)阻力隨時(shí)間變化的曲線

圖11 平均阻力及比能隨鉆齒半徑變化的曲線

由圖10、圖11可知,3個(gè)主波峰出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)會(huì)隨著鉆齒半徑的增加而向前移動(dòng),但幅度不大。這是由于在同樣的齒面傾角下,鉆齒半徑越大,鉆頭與巖石接觸的時(shí)間越早。同時(shí)由于鉆齒半徑增大,鉆齒與巖石的接觸面積增加,引起破巖量的增多以及阻力的增大。鉆頭所受的平均阻力隨著鉆齒半徑的增加而增加。當(dāng)r=6.75mm時(shí),鉆頭破巖時(shí)單位體積所需要的比能耗最低。

5 結(jié) 論

本文利用LS-DYNA對(duì)鉆頭擴(kuò)孔過(guò)程進(jìn)行了模擬,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析得出如下結(jié)論:

(1) 在其他參數(shù)不變的情況下,第2齒面傾角取25°時(shí),鉆頭所受的阻力平均值較小,有利于延長(zhǎng)鉆頭使用壽命,同時(shí)鉆頭破巖的比能達(dá)到最小。

(2) 第3齒面傾角取44°時(shí),不僅擴(kuò)孔效率較高,而且鉆頭所受平均阻力小,此種結(jié)構(gòu)有利于延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。

(3) 露齒高度h=7.25mm時(shí),鉆頭所受平均阻力最小,同時(shí)比能低。

(4) 鉆齒半徑r=6.75mm時(shí),鉆頭破巖時(shí)單位體積所需要的能耗最低,平均阻力小。

本文得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)與切削力及比能的變化關(guān)系可以用于指導(dǎo)鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇,最終實(shí)現(xiàn)鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Effectofstructureofpercussion-rotarybitonitsservicelifeandrockbreakingperformance

XU Hailiang, ZHENG Yi, ZHAO Hongqiang, XU Shaojun

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to study the effect of the structure of air percussion-rotary bit on its rock breaking performance, the nonlinear finite element software ANSYS/LS-DYNA was adopted. According to rock mechanics and finite element theory, a Drucker-Prager constitutive model was selected for penetration problems of rock, and the finite element model of air percussion-rotary bit was then established to simulate the process of rock breaking by air percussion-rotary bits with different structures. The curves of resultant force varying with time, the relation curves of average resultant force and specific energy varying with structure parameters were gotten. When the second and the third tooth surface angle of the air percussion-rotary bit, the height and radius of the teeth of the air percussion-rotary bit was 25°, 44°, 7.25 mm and 6.75 mm， respectively, the average resultant force and specific energy were relatively smaller. This can help to prolong the service life of the air percussion-rotary bit and to improve energy utilization.

percussion-rotary bit; ANSYS/LS-DYNA; finite element; angle of tooth surface; load fluctuation

2016-07-19；

2016-02-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375499)

徐海良(1965-),男,湖南湘鄉(xiāng)人,博士,中南大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師;

徐紹軍(1965-),女,湖南沅江人,博士,中南大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.12.004

TH47

A

1003-5060(2017)12-1599-05

(責(zé)任編輯胡亞敏)