基于ANSYS的潛孔沖擊器活塞長徑比優化仿真

何小宏

(山東天瑞重工有限公司，山東 濰坊 261000)

高氣壓潛孔沖擊器以壓縮空氣作動力，在使用過程中將壓縮空氣轉化為機械能，從而達到清洗孔底、冷卻鉆頭以及產生鉆進的目的。因其采用回轉和沖擊聯合作用，具有質量好、成本低以及效率高的特點。活塞作為沖擊器的主要工作部件，其結構的合理性直接影響沖擊器的鉆進效率。近年來，張國忠、戚靖洋等，圍繞活塞的動力過程，采用點變換的方式建立結構參數與工作參數的相關關系[1]；曾璟等根據沖擊器活塞載荷以及破損情況，提出一些提高活塞壽命的解決方案[2]；朱麗紅、博坤等從潛孔錘活塞的結構以及材料兩方面進行分析，利用相關模擬軟件對改進活塞進行應力分析[3]。本文以某公司的5 寸高氣壓氣動沖擊器為研究對象，建立活塞撞擊鉆頭的模型，從而研究活塞質量一定，活塞長度發生變化時的應力變化。

1 活塞撞擊鉆頭的工作原理

圖1 中，活塞受到前氣室壓縮空氣的作用進行回程運動，回程運動完成后，后氣室充滿的壓縮空氣推動活塞進行沖程，活塞以一定的速度撞擊鉆頭尾部，將能量傳遞到鉆頭。鉆頭前部合金齒與巖石接觸，傳遞壓力至巖石，巖石被擠壓產生裂紋。鉆頭在鉆機帶動下旋轉，旋轉中有裂紋的巖石被切削下來。

圖1 沖擊器剖面圖

高氣壓沖擊器的活塞撞擊鉆頭瞬間，活塞的運動速度(大小和方向)發生急劇變化，在大小和方向都隨時間作周期性變化的動載荷作用下，活塞的應變不是整體均勻的應變，質點的運動速度也不是整體一致的速度，應變和速度都以應力波的形式傳播。在沖擊回轉鉆進過程中，沖擊器利用活塞的撞擊，將能量通過鉆頭傳遞到孔底巖石，實現碎巖鉆進。潛孔錘的活塞采用了變截面結構，應力波在其中傳播時，在截面變化處必然會發生透射和反射。等截面受到的應力是壓應力，而變截面受到的就不單是壓應力，還有拉應力。

2 活塞撞擊鉆頭的能量傳遞理論分析[8]

2.1 沖擊器鑿入分析

活塞撞擊鉆頭，由于本身變形很小，可以把活塞看成剛體，將活塞、鉆頭整個系統分成n個小段。

2.1.1 應力波疊加原理

沖擊器活塞工作時撞擊鉆頭產生的應力波作用在鉆頭前段，此時

式中 Fi——活塞所受總力，N

ai——順波

bi——逆波

2.1.2 截面積發生改變處應力波的傳播

在截面發生變化處應力波會產生入射波及反射波，其傳遞到接觸面時，接觸面所受力為

式中 F——接觸面受到的總力，N

U——透射系數

Ai+1——活塞截面積，m2

Ai——鉆頭截面積，m2

2.1.3 活塞與鉆頭撞擊面上的應力波傳播

由于撞擊面所受力為非線性，可知撞擊面上總受力為

式中 Fm——撞擊面所受總力，N

am——順波，N

bm——逆波，N

am+1——m+1 順波

Y——彈性模量，N/m2

h1——撞擊面局部變形系數，N2/3/m

t——時間步長，s

ρ——材料密度，kg/m3

F（m-1）——m-1 次撞擊時所受的力，N

E——彈性模量，MPa

2.1.4 活塞撞擊反射

在撞擊端，順波是已知條件，根據活塞撞擊鉆頭的邊界條件可知逆波為

式中 bn——逆波，N

P——活塞撞擊力，N

Q——無因次量

an——順波，N

An——活塞截面積，m2

d——差分步長

K——鑿入系數

2.1.5 鑿入效率

鑿入效率為鉆頭破碎巖石所做功與活塞撞擊動能之比，即

式中 Δ——鑿巖效率

M——活塞的質量，kg

F——最大鑿入力，N

v——活塞的沖擊速度，m/s

3 有限元仿真分析

3.1 改進的方案

表1 活塞改進方案

改進后，沖擊器整體加長，配氣參數不做改變，即保證活塞的沖擊行程不變。活塞直徑相同，長度不同，可通過改進結構，保證活塞的質量相同。

根據鑿巖效率理論，活塞長度與活塞直徑之比在3～4 之間時[4]，能量傳遞效率最高。因此，本文在不改變活塞質量的前提下，采取的方案1 活塞長度與直徑之比設為3.69，方案2 活塞長度與直徑之比設為4.13。

圖2 活塞撞擊鉆頭示意圖

3.2 三維模型的建立

由于整個沖擊器結構復雜，本文只針對潛孔沖擊器活塞進行模型建立，以山東天瑞重工公司生產的TRC55 型高氣壓潛孔沖擊器活塞以及配套鉆頭為實驗模型，運用Pro/engineer 三維軟件對活塞、鉆頭以及巖石的三維模型繪制。

3.3 定義材料屬性以及單元類型

活塞材料采用20Ni4Mo，其材料密度為7.8×103kg/m3，楊氏模量218 MPa，泊松比為0.3，材料定義為分段線性塑性材料[5,6]，鉆頭主體采用23CrNi3Mo,材料密度為7.88×103kg/m3，楊氏模量358 MPa，泊松比為0.35。巖石選用大理石，密度為2.68×103kg/m3，剪切模量26.8 MPa，塑性硬化模量46.7MPa，體積模量為16 MPa，破裂應力150MPa，定義為一種彈性應變失效模型。

活塞、鉆頭以及巖石的單元類型均定義為8節點3D SOILD164 單元。

3.4 網格劃分

活塞兩端以及主體倒角處網格采用手動劃分，劃分為六面體網格，其他位置使用網格自動劃分方法。

鉆頭主體與活塞劃分方法相似，倒角處采用手動網格劃分，其他采用網格自動劃分。合金齒由于具有復雜的結構以及在鑿巖過程中與巖石處于高速摩擦，需要細分網格，采用手動線節點數網格劃分方法進行劃分，一共劃分為224960個。

巖石性狀規則，直接采用自動網格劃分，劃分成規整的長方形六面體結構，共劃分為100000個。

圖3 活塞、鉆頭與巖石的網格劃分圖

3.5 接觸界面的定義與控制

為了能充分描述撞擊鑿巖過程中活塞與鉆頭、鉆頭與巖石之間的相互作用，需要定義相互之間的接觸類型，活塞前部與鉆頭尾部之間的接觸定義為面對面自動接觸（ASTS），即*Contact_Automatic_Surface_To_Surface。鉆頭合金齒與巖石之間的接觸定義為侵蝕接觸（ESTS），即*Contact_Eroding_Surface_To_Surface，同時控制活塞為靜態模型，鉆頭為動態模型。

3.6 施加載荷以及約束

載荷以及約束的施加對整個仿真至關重要。為了能盡可能客觀地反應真實工作狀況，定義巖石為無限大，但是截取其中0.16×0.2×0.05 m的大小，并將模型5個面（與合金齒接觸面除外）定義為全約束的無限無反射邊界條件，從而模擬巖石的無限大。

鉆頭在工作時處于旋轉狀態，根據現場配套鉆機的實際工況，確定鉆頭的轉速[7]為40 r/min，沖擊器配套鉆機鉆壓一般為500～1000 N/cm 鉆頭直徑，在這里設為700 N/cm，鉆頭的直徑為135 mm，因此鉆壓為9450 N。

活塞沖擊功、沖擊頻率以及活塞沖擊速度根據matlab 沖擊仿真計算得到，活塞在距離鉆頭1 mm 處時速度為10.018m/s，沖擊功為857 J，沖擊頻率為26 Hz。

4 仿真結果與分析

4.1 活塞與鉆頭的動能傳遞

圖4 活塞與鉆頭的動能傳遞圖

圖4 中曲線C（鉆頭）、D（活塞）分別表示方案1 鉆頭和活塞在整個沖擊運動過程中內部能量變化，曲線A（活塞）、B（鉆頭）分別表示方案2活塞和鉆頭在整個沖擊運動過程中的內部能量變化，在0～0.15 ms 時，活塞與鉆頭處于分離狀態，方案1、方案2 活塞動能都保持在857 J，鉆頭的動能始終為0 J，0.15～0.25 ms 時活塞與鉆頭開始接觸，活塞的動能減小，鉆頭的動能開始增大，此時鉆頭開始鑿巖，在0.25 ms 時活塞與鉆頭的動能趨于穩定，鉆頭繼續破碎巖石，活塞則開始與鉆頭分離，做回程運動，整個撞擊過程中活塞與鉆頭動能趨于穩定時，方案1 動能分別為30 J與720 J，活塞獲得的最大動能830 J，方案2 動能分別為50 J 與720 J，活塞獲得的最大動能800 J，據此算出方案1 活塞撞擊鉆頭的能量轉換效率為86.7%,方案2 活塞撞擊鉆頭的能量轉換效率為90%，能量傳遞效率提高3.3%。

4.2 活塞與鉆頭應力波傳遞分析

圖5 活塞與鉆頭應力波傳遞圖

圖5 是活塞與鉆頭應力波傳遞曲線圖，其中A、B 是方案1的活塞與鉆頭中應力波傳遞曲線，C、D是方案2 活塞與鉆頭應力波傳遞曲線，從圖中可以看出，方案2 鉆頭中應力波傳遞時間長于方案1，有利于增加單次鉆頭鑿巖時間，提高鑿巖效率。同時，方案1的活塞中應力波峰值明顯高于方案2活塞中應力波傳遞波峰值，因此，方案2 活塞長，應力波交替循環的相對次數就減少，這樣活塞的疲勞程度就會改善，從而延長活塞使用壽命[4]。

5 結論

（1）活塞長徑比由3.69 變為4.13，沖擊器鑿巖效率提高3.3%，可以通過改變活塞長徑比，增加活塞長度來提高沖擊器的工作效率。

（2）通過仿真分析發現，沖擊器活塞越細長，應力波持續時間越長，振幅越低，有利于破碎巖石以及提高活塞與鉆頭的壽命。