三翼鉆頭鉆進過程模擬及結構參數優化

陳佳蕊，周翠紅，馮利華

1北京石油化工學院機械工程學院 北京 102617

2中鐵一局集團第二工程有限公司 河北唐山 063000

反 循環鉆機具有廣泛的適應性，既可在狹窄場地或隧道內施工，又可在市中心繁華地段施工。在鉆孔灌注樁施工過程中，大直徑鉆機鉆頭部分質量加載于刀具處，刀具壓入地層后鉆桿帶動鉆頭旋轉破碎[1]。

鉆頭的鉆進過程是非常復雜的非線性過程，李鵬等人[2-4]使用有限元軟件對鉆頭破巖過程及流場進行了優化設計。楊成等人[5]針對砂卵石地層，運用Abaqus軟件模擬優化了不同結構參數鉆具模型。受設備、地質影響，在地質情況較為復雜的條件下進行鉆孔灌注樁施工，存在鉆孔施工難度大、砂卵石地層施工進度緩慢等問題[6]。

將非線性有限元的分析方法運用到鉆頭鉆進過程中，并對鉆頭結構進行優化可以提高鉆機的鉆進效率。研究中結合灌注樁機械成孔施工現場，對三翼鉆頭鉆進不同地層的過程實現顯式學的動態過程模擬，探究反循環鉆機鉆進不同地層的工況，并利用均勻試驗法優化鉆具參數，為提升反循環鉆機鉆進效率提供了依據。

1 模擬方法

1.1 鉆進過程分析

在鉆頭鉆進地層的過程中鉆頭與地層間相互作用，在鉆桿施加向下軸向壓力的同時，鉆頭進行旋轉以切削周圍的地層，其受力分析如圖 1所示。受鉆壓和鉆速的影響，當鉆頭的軸向壓力與切削力大于地層的承受能力時，地層發生疲勞破壞。

圖1 鉆頭切削受力……