鉆機(jī)旋沖鉆孔過(guò)程中破巖效率的研究*

柳 波，倪 鵬，譚孝剛，張 超

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

0 引 言

隨著穩(wěn)步推進(jìn)的現(xiàn)代化，巖土工程建設(shè)取得了重大進(jìn)展。為解決建設(shè)中硬質(zhì)地層不易開(kāi)孔的問(wèn)題，一種新型氣動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備得到應(yīng)用，其工作過(guò)程為：壓縮氣體推動(dòng)活塞周期性運(yùn)動(dòng)，鉆頭受到活塞周期性的沖擊作用，從而在一瞬間具有很大的沖擊力，同時(shí)鉆頭還在旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切力切削巖石，鉆頭在沖擊和旋轉(zhuǎn)的雙重作用下完成高效率破巖[1]。然而，當(dāng)前破巖機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究尚存在一些不足，導(dǎo)致缺乏較好的鉆孔工藝參數(shù)的選擇。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展使數(shù)值模擬技術(shù)在巖石鉆進(jìn)過(guò)程的研究中得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，該方法既省時(shí)省力，又能獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。黃志強(qiáng)等[2]使用有限元軟件建立了鉆頭鉆進(jìn)巖石過(guò)程的模型，探究了單純沖擊作用下鉆頭的破巖過(guò)程，但缺乏鉆頭在沖擊和旋轉(zhuǎn)兩者雙重作用下對(duì)破巖過(guò)程影響的研究；PRADEEP L等[3]運(yùn)用顯式有限元法模擬了巖石切削和破碎過(guò)程，對(duì)不同切削速度和切削深度條件下的不同前角進(jìn)行了數(shù)值模擬，但沒(méi)有考慮到鉆頭在巨大的沖擊力下的影響；蔡燦等[4]研究了單齒沖擊作用下的破巖機(jī)制，通過(guò)分析單齒沖擊破碎的齒坑外觀形貌圖，提出了巖石破碎的分區(qū)模型，并利用數(shù)值仿真驗(yàn)證了結(jié)果的正確性；林元華等[5]借鑒三牙輪鉆頭仿真理論，用計(jì)算機(jī)仿真方法預(yù)測(cè)出了沖擊器活塞的沖擊力、沖擊功和空氣沖旋鉆井機(jī)械鉆速；祝效華等[6]利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)詳細(xì)分析了鉆井工藝參量和鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)破巖效果的影響，分析結(jié)果為空氣沖旋鉆井提供了一定的參考；范永濤等[7]揭示了沖旋鉆井中鉆頭與巖石的互作用機(jī)理，并建立了沖旋鉆頭破碎巖石的有限元模型，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，為優(yōu)化設(shè)計(jì)沖旋鉆頭提供了理論依據(jù)；MURO T等[8]采用落錘法，使用沖擊鉆頭對(duì)花崗巖、橄欖巖、砂巖和水泥砂漿材料的切削性能的影響進(jìn)行了研究，分析了切削扭矩、加速度、單位體積切削量與切削間距的關(guān)系；田家林等[9]建立了高頻微幅沖擊振動(dòng)作用下巖石破碎行為計(jì)算方法，分析了沖擊頻率、幅值對(duì)巖石破碎效率的影響；譚力等[10]利用計(jì)算機(jī)仿真模擬了沖旋鉆頭破碎巖石的過(guò)程，得出了破碎過(guò)程可分為4個(gè)階段，巖石破碎形態(tài)主要有3種，但沒(méi)有去研究影響鉆頭破巖效率的問(wèn)題。

因此，本文綜合考慮鉆機(jī)旋沖鉆孔過(guò)程中沖擊頻率與旋轉(zhuǎn)速度共同作用的影響，研究沖擊頻率、旋轉(zhuǎn)速度兩者動(dòng)態(tài)變化與提高破巖效率的匹配關(guān)系，充分提高能量的利用率，為鉆頭的合理設(shè)計(jì)及合理鉆孔工藝參數(shù)的選擇提供理論指導(dǎo)。

1 旋沖鉆孔過(guò)程破巖分析

1.1 球形鉆齒與巖石的相互作用分析

巖石鉆機(jī)的鉆頭由刀體和鑲嵌在刀體上的球形鉆齒組成，該類鉆頭主要有平面、凸面以及凹面3種端面形式，這里以平面鉆頭以及球形鉆齒進(jìn)行與巖石的相互作用分析。

球形鉆齒的前端部分呈實(shí)心半球體狀，后端部分呈圓柱體狀[11]，球形鉆齒與巖石相互作用受力模型如圖1所示。

圖1 球形鉆齒與巖石相互作用受力模型ri—球形鉆齒的軸線與鉆頭軸線的距離；r—球形鉆齒的半徑；h—露齒高度；φ—巖石自然破碎角；F(t)—球形鉆齒受到的沖擊力；F0—軸向靜壓力(鉆壓)；n—球形鉆齒繞鉆頭軸線的旋轉(zhuǎn)速度；P—巖石對(duì)鉆齒的阻力

1.2 巖石本構(gòu)模型的確定

旋沖鉆孔過(guò)程中鉆頭底部巖石的力學(xué)性質(zhì)會(huì)較靜態(tài)時(shí)有所不同，故選取合適的巖石動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，是研究旋沖鉆孔過(guò)程仿真模擬的必要前提。

基于靜態(tài)的本構(gòu)模型，并將應(yīng)變率強(qiáng)化和損傷軟化效應(yīng)納入考慮范圍，修正已有的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型[12]，如下所示：

σ=(1-D)Rrateσs

(1)

式中：σ—沖擊壓縮強(qiáng)度；D—損傷因子(0≤D≤1)；Rrate—應(yīng)變率強(qiáng)化因子；σs—靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。

1.3 破碎比功模型的建立

破碎比功是指鉆頭破碎單位體積巖石所消耗的能量，它反映了破巖效率的高低，是巖石鉆機(jī)性能指標(biāo)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)以及旋沖鉆孔過(guò)程破巖工藝參數(shù)選擇需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。

根據(jù)能量守恒原則，破巖機(jī)具所做的功應(yīng)該包含破碎巖石、轉(zhuǎn)化為熱能以及形成振動(dòng)波等所消耗的能量，而巖石破碎所消耗的能量是破巖機(jī)具所做的功的主要部分[13]。

為簡(jiǎn)化分析，這里假設(shè)破巖機(jī)具所做的功全部用于破碎坑的形成，而忽略疲勞損傷區(qū)和斷裂區(qū)裂紋形成所用的能量，則在一個(gè)沖擊周期內(nèi)破碎巖石所做功W以及破碎體積V可由下式求得：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：F(t)—鉆齒受到的沖擊力；F0—軸向靜壓力；t—沖擊力作用的時(shí)間；T—沖擊周期；f—沖擊頻率；W—沖擊功；M—鉆頭的質(zhì)量；v—鉆頭的速度；lmax—鉆齒最大吃入深度；V—破碎體積；n—旋轉(zhuǎn)速度；ri—鉆齒與鉆頭的軸線距離；φ—巖石自然破碎角；aV—巖石的破碎比功。

2 旋沖鉆孔過(guò)程仿真建模

該模型的研究重點(diǎn)在于鉆頭的沖擊頻率和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)破巖效率的影響，所以為了提高計(jì)算效率，忽略其他影響較小因素，對(duì)仿真模型作以下假設(shè)[14]：

(1)不考慮巖石的初始裂紋和孔隙壓力的影響，將其視作一種連續(xù)的各向同性介質(zhì)；

(2)球形鉆齒比巖石的硬度高得多，將球形鉆齒假設(shè)為剛體；

(3)巖石單元失效后立即被移除，忽略巖屑的二次破碎對(duì)連續(xù)鉆進(jìn)的影響。

2.1 有限元模型的建立

本研究運(yùn)用三維軟件SolidWorks分別建立鉆頭、鉆齒、巖石的三維模型，鉆頭直徑420 mm，球形鉆齒直徑16 mm，巖石采用600 mm×600 mm×100 mm的長(zhǎng)方體。

筆者將三維模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分，鉆頭和巖石的有限元模型如圖2所示。

圖2 鉆頭和巖石的有限元模型

再將其導(dǎo)入LS-DYNA中，然后定義單元類型及材料屬性，所有的單元類型都選用8節(jié)點(diǎn)3D SOLID單元，采用缺省的常應(yīng)力單元公式[15]。鉆頭與鉆齒相對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)較硬，為了便于計(jì)算求解可視為剛體。

2.2 接觸、加載、約束及求解時(shí)間的定義

鉆齒與巖石之間采用面對(duì)面的侵蝕接觸，以關(guān)鍵字*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURF-ACE來(lái)定義，用來(lái)模擬旋沖鉆孔巖石破碎過(guò)程；旋沖鉆孔過(guò)程鉆頭具有旋轉(zhuǎn)與沖擊兩種運(yùn)動(dòng)，以關(guān)鍵字*CURVE來(lái)定義，并且限制鉆頭其他4個(gè)自由度；將巖石的底面全約束，限制巖石的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；為了避免巖石模型邊界處產(chǎn)生的人工應(yīng)力波再次進(jìn)入模型，影響仿真結(jié)果，筆者設(shè)定巖石模型除與球形鉆齒相接觸的面以外的5個(gè)面為非反射邊界條件，來(lái)模擬無(wú)限域[16]；設(shè)定求解時(shí)間為50 ms，僅輸出用于LS DYNA求解的關(guān)鍵字K文件。

3 旋沖鉆孔過(guò)程仿真分析

旋沖鉆孔過(guò)程中，鉆齒的吃入深度、巖石破碎體積以及破碎比功是巖石破碎效率的主要評(píng)判依據(jù)。破碎比功越小，所需的能量越小，鉆機(jī)的性能越好。

這里經(jīng)過(guò)LS-DYNA求解計(jì)算后，將各組數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行處理分析，以下對(duì)旋沖鉆孔過(guò)程巖石破碎效率的主要影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 鉆頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)破碎比功的影響

筆者依據(jù)巖石鉆機(jī)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，將鉆頭的沖擊頻率設(shè)置為f=20 Hz，其他參數(shù)保持不變，旋轉(zhuǎn)速度分別取20 r/min、25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min時(shí)，鉆齒吃入深度與轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3所示。

圖3 鉆齒吃入深度與轉(zhuǎn)速的變化曲線

由圖3可以看出：在沖擊力載荷加載之前，鉆齒在靜軸壓力作用下，吃入深度呈現(xiàn)微小的上下波動(dòng)，在25 ms沖擊力卸載后，作用在巖石表面的壓應(yīng)力減小，巖石內(nèi)部存儲(chǔ)波的能量產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，巖石的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，故巖石更容易產(chǎn)生拉應(yīng)力破碎，所以此時(shí)鉆齒的吃入深度迅速增大，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)鉆齒的吃入深度影響不明顯，巖石破碎主要發(fā)生在沖擊力卸載后。

鉆齒破碎體積、破碎比功與轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖4所示。

圖4 鉆齒破碎體積、破碎比功與轉(zhuǎn)速的變化曲線

由圖4可以看出：隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的提高，鉆齒破碎體積呈逐漸增大趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)越來(lái)越緩慢，這里主要是因?yàn)樵诠潭l率的沖擊下，球形鉆齒產(chǎn)生的破碎坑之間的脊部寬度是固定不變的，轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩使脊部被刮削掉，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度上升到某一值時(shí)，相鄰破碎坑之間的脊部已經(jīng)被刮削完成，若再繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，破碎體積的變化不是很明顯；在一定范圍內(nèi)，破碎比功隨著轉(zhuǎn)速的不斷上升逐漸減小，鉆機(jī)的破巖效率隨轉(zhuǎn)速的提高而提高，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于某一數(shù)值時(shí)，破碎比功趨于穩(wěn)定，所以在頻率f=20 Hz的情況下，轉(zhuǎn)速在n=30 r/min～35 r/min范圍內(nèi)破碎比功較小，破巖效率相對(duì)較高。

3.2 鉆頭沖擊頻率對(duì)破碎比功的影響

依據(jù)巖石鉆機(jī)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，筆者將鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為n=20 r/min，其他參數(shù)保持不變，沖擊頻率分別取10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz時(shí)，鉆齒吃入深度與頻率的變化曲線如圖5所示。

圖5 鉆齒吃入深度與頻率的變化曲線

由圖5可以看出：隨著沖擊頻率的增大，鉆齒的吃入深度不斷增加，且頻率越高，吃入深度急劇上升的時(shí)刻點(diǎn)出現(xiàn)的越早。

鉆齒的破碎體積、破碎比功與頻率的變化曲線如圖6所示。

圖6 鉆齒的破碎體積、破碎比功與頻率的變化曲線

由圖6可以看出：隨著沖擊頻率的增大，鉆齒的破碎體積不斷增加，當(dāng)頻率增加到一定數(shù)值后，破碎體積的變化越來(lái)越緩慢，這主要由于在沖擊頻率較高時(shí)，疲勞損傷區(qū)在快速變化的沖擊力的作用下被重復(fù)二次破碎，相當(dāng)于破碎后的巖石未被及時(shí)刮削，沒(méi)有充分體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)剪切破巖的作用，實(shí)際破巖效果不明顯；同時(shí)隨著沖擊頻率的增加，破碎比功逐漸減小，且破碎比功的變化趨勢(shì)越來(lái)越緩慢，最后趨于穩(wěn)定，故存在一個(gè)最小破碎比功的最佳合適頻率范圍。

因此，在轉(zhuǎn)速n=20 r/min的情況下，頻率在f=20 Hz～30 Hz范圍內(nèi)破碎比功較小，破巖效率相對(duì)較高。

3.3 破巖效率與旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率之間的關(guān)系

由上述分析可知，旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率均對(duì)破巖效率產(chǎn)生影響，實(shí)際鉆孔過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率對(duì)破巖效果的影響是相互的。所以有必要綜合分析旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率兩者對(duì)破巖效果的影響。

此處筆者使用MATLAB軟件處理在不同旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率下的破碎比功相關(guān)數(shù)據(jù)，得到旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率與破碎比功相互關(guān)系。

破碎比功與旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率的變化曲面圖如圖7所示。

由圖7可以看出：旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率二者對(duì)破碎比功的影響是相互制約的，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度在30 r/min～35 r/min范圍，沖擊頻率在20 Hz～30 Hz范圍時(shí)，破碎比功較小，破巖效率相對(duì)較高。

圖7 破碎比功與旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率的變化曲面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)鉆機(jī)旋沖鉆孔過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，分析了旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率對(duì)破巖效率的影響。結(jié)論如下：

(1)通過(guò)建立旋沖鉆頭破巖的破碎比功模型，得出鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率二者對(duì)破巖效率具有很大影響，且二者存在相互制約關(guān)系；

(2)巖石破碎過(guò)程主要發(fā)生在沖擊力卸載后；鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)鉆齒的吃入深度影響不明顯，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，破碎體積逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定；鉆頭的沖擊頻率對(duì)鉆齒的吃入深度和破碎體積均有很大影響，沖擊頻率越大，吃入深度越深，破碎體積越大，巖石出現(xiàn)破碎的時(shí)刻點(diǎn)越早；

(3)在旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率的共同作用下，存在一個(gè)最佳的匹配范圍，即當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度在30 r/min～35 r/min范圍內(nèi)，沖擊頻率在20 Hz～30 Hz范圍內(nèi)時(shí)，破碎比功較小，破巖效率相對(duì)較高。