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    切削角度對切削齒溫度分布的影響分析*

    2021-12-13 07:33:50張?jiān)谂d周琴張凱李龍李耀
    石油機(jī)械 2021年12期
    關(guān)鍵詞:刀面巖屑切削力

    張?jiān)谂d 周琴 張凱 李龍 李耀

    (中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院;國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

    0 引 言

    在地質(zhì)勘探、油氣資源開采以及隧道挖掘等領(lǐng)域破碎巖石是重要的生產(chǎn)過程[1],但在破碎巖石過程中經(jīng)常發(fā)生切削齒失效,使施工效率降低甚至造成停機(jī)停產(chǎn)[2]。經(jīng)統(tǒng)計(jì),斷裂、磨損以及微裂紋的形成是切削齒失效的主要形式,并且失效與切削齒溫度有密切聯(lián)系,因此進(jìn)一步研究切削齒與巖石的作用機(jī)理、選擇合適的切削參數(shù)對降低成本及提高施工效率具有實(shí)際意義。

    已有研究證明,巖石的破碎過程和破碎模式都對切削齒溫度變化產(chǎn)生影響。切削齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)、切削參數(shù)對巖石破碎過程都存在顯著影響。切削齒圓弧半徑的增大會(huì)加劇巖石的重復(fù)破碎,并影響切削齒的溫度分布以及峰值溫度[3]。切削參數(shù)是影響切削過程的重要因素,它影響巖屑的形成,而巖屑又反作用于切削齒,并影響切削齒磨損、溫升以及使用壽命。P.L.MENEZES等[4-5]通過有限元分析切削參數(shù)對巖石破碎過程的影響,切削參數(shù)的改變會(huì)加劇巖屑與刀面的摩擦,影響巖屑的形成與逸散。仿真分析發(fā)現(xiàn),切削速度的大小會(huì)改變巖石的破碎模式,并影響切削齒的溫升、應(yīng)力以及能量的轉(zhuǎn)化[6]。

    切削角度是鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù),而且與破巖效果以及切削齒溫升現(xiàn)象都存在密切關(guān)系[7-8]。S.YADAV等[9]通過粒子圖像測速技術(shù)觀察巖石的正交切削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)切削角度影響裂紋的萌生及發(fā)展。譚青等[10]通過建立離散元數(shù)值模型,從切削力和裂紋擴(kuò)展數(shù)量分析了切削角度對巖石破碎效率的影響。祝效華等[11]通過建立三維仿真模型,研究了切削角度對巖石破碎比功的影響,發(fā)現(xiàn)切削角度增大,巖石破碎比功也相應(yīng)增加。

    巖屑的形成是巖石破碎過程中不可忽略的現(xiàn)象,對切削齒的性能和壽命都存在影響,但關(guān)于不同切削參數(shù)對巖屑粒度和流動(dòng)的作用機(jī)制、切削齒溫度分布及變化特征的影響還不明確。本文著重分析切削角度的改變對巖屑粒度、流動(dòng)以及切削齒前、后刀面溫度的影響和變化規(guī)律,研究不同切削深度下,切削角度對巖石破碎模式和溫度波動(dòng)程度的影響規(guī)律。

    1 巖石破碎力學(xué)模型

    巖石剪切破碎模型如圖1所示。在巖石的破碎過程中,產(chǎn)熱區(qū)Ⅰ是由于剪切力Fs使巖石發(fā)生彈塑性變形產(chǎn)生大量的熱量而形成;前刀面與巖屑產(chǎn)生摩擦力Ff1,摩擦力做功產(chǎn)熱形成產(chǎn)熱區(qū)Ⅱ;切削齒已磨損表面與切削表面存在摩擦力Ff2形成產(chǎn)熱區(qū)Ⅲ,切削齒后刀面溫升也主要來源于產(chǎn)熱區(qū)Ⅲ[12]。

    圖1 巖石剪切破碎模型

    圖1中:Fc為切削力,F(xiàn)s為剪切面上的剪切力,F(xiàn)f1、Ff2分別為切削齒前刀面和后刀面的摩擦力,F(xiàn)n為軸向力,F(xiàn)t為切向力,θ為剪切角,v為切削速度,L1為前刀面的接觸長度,L2為后刀面的接觸長度,γ為切削角度,α為后傾角,d為切削深度。

    Y.NISHIMATSU剪切模型切削力計(jì)算公式[13]:

    (1)

    式中:τ0為剪切強(qiáng)度,n為應(yīng)力分布系數(shù),δ為內(nèi)摩擦角,β為切削摩擦角。

    由式(1)可知,切削角度是影響巖石切削力的重要因素,巖石切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),切削角度γ與切削摩擦角β呈線性變化[14],且β-γ隨切削角度增大而增大,因此切削角度增大,切削力Fc也會(huì)相應(yīng)增大。

    切削溫度與切削齒失效密切相關(guān),因此通過平面熱源法推導(dǎo)出前、后刀面溫度計(jì)算式[15-16]:

    (2)

    (3)

    式中:ε為切屑的剪切變形量,λ為工件的導(dǎo)熱系數(shù),c為比熱容,ρ為密度,B為常數(shù),k為導(dǎo)熱系數(shù),a為熱擴(kuò)散系數(shù),l為面熱源寬度的,T0為初始溫度,qw為單位時(shí)間單位面積產(chǎn)生的摩擦熱量,其中w為切削齒的寬度。

    巖屑的變形與切削角度存在直接關(guān)系,通過式(2)發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi)切削角度的增加,不僅會(huì)加大巖屑的剪切變形量ε,而且會(huì)增大巖屑與前刀面的摩擦作用,使產(chǎn)熱量增加進(jìn)而導(dǎo)致前刀面溫度上升[9]。通過式(3)發(fā)現(xiàn),切削角度增大,會(huì)減小后刀面與巖石的摩擦面積,使摩擦產(chǎn)熱減少,進(jìn)而導(dǎo)致后刀面溫度下降。

    2 切削齒破巖模型數(shù)值模擬

    選取質(zhì)地較為均勻的大理巖為研究對象,以文獻(xiàn)[17]中得到的巖石與切削齒參數(shù)(見表1)為基礎(chǔ)進(jìn)行力學(xué)性能測試。切削齒是鉆頭的核心單元,主要完成破巖任務(wù),根據(jù)目前研究成果,二維直線切削模型廣泛應(yīng)用于巖石破碎領(lǐng)域,可以較好地模擬巖石破碎和巖屑流動(dòng)等破碎過程[18],因此建立二維單齒直線切削模型,如圖2所示,并在前、后刀面分別設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)。

    表1 材料參數(shù)選擇

    圖2 二維單齒直線切削模型

    2.1 巖石材料模型以及失效準(zhǔn)則

    Drucker-Prager模型廣泛應(yīng)用于模擬巖石破碎,具有較好表征與壓力相關(guān)變量的特點(diǎn)[19-20]。巖石的損傷是累積的過程,它的等效塑性應(yīng)變與應(yīng)變率、應(yīng)力三軸η有關(guān),可通過式(4)計(jì)算[21]。

    (4)

    巖石的損傷程度可由式(5)計(jì)算。

    (5)

    式(5)中,D=0表示材料未發(fā)生損傷,D=1表示材料完全損壞[20]。

    可以用體積變量來表征損傷變量D,其中任意時(shí)刻的體積應(yīng)變?yōu)閇22]:

    (6)

    任意時(shí)刻對應(yīng)的損傷變量D為[22]:

    (7)

    2.2 模型接觸條件以及載荷加載

    在切削齒破巖模型(見圖2)中,對切削齒進(jìn)行y方向約束,巖石底部及左側(cè)完全約束。巖石取心鉆頭切削齒基本都以負(fù)值切削角度安裝[23],而且G.HARELANDV等[24]通過推導(dǎo)切削效率函數(shù)發(fā)現(xiàn),最優(yōu)切削角度在負(fù)值0°~25°范圍內(nèi),因此選擇負(fù)值角度0°、5°、10°、15°、20°及25°為研究對象。預(yù)定義切削齒和巖石的初始溫度為20 ℃,并根據(jù)線速度v與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系v=2πRn/60(鉆頭直徑45 mm,轉(zhuǎn)速850 r/min),可得切削速度為2 m/s。

    2.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

    為驗(yàn)證模型的可行性,對巖石進(jìn)行單軸壓縮模擬,結(jié)果如圖3所示。模型高100 mm,寬50 mm,對巖石模型進(jìn)行離散,劃分為5 050個(gè)單元。巖石上端壓縮板為剛體,模型下端完全約束,并使壓縮板產(chǎn)生2.5 mm軸向位移。從圖3b可知,模擬結(jié)果與大理巖單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果[25]非常接近,說明該損傷模型和失效準(zhǔn)則能夠反映巖石破壞過程,也證明巖石破碎模型的可行性。

    圖3 巖石單軸壓縮模擬

    2.4 巖石切削仿真結(jié)果

    不同切削角度下切削力的變化曲線如圖4所示。從圖4a可見:切削角度為0°~15°時(shí),切削力波動(dòng)范圍在0~681.5 N之間,波動(dòng)明顯;而切削角度為15°~25°時(shí),切削力波動(dòng)范圍為0~316.2 N,波動(dòng)相對平穩(wěn),而且前刀面切削力變化呈現(xiàn)隨切削角度的增大,增幅逐漸變緩的增長趨勢。文獻(xiàn)[26]開展的單齒切削試驗(yàn),切削力的變化趨勢與本文結(jié)果非常接近,這也證明本文模型和數(shù)值分析具有較高的可靠性。

    圖4 不同切削角度下切削力的變化曲線

    仿真結(jié)果以及切削力學(xué)模型(見圖1)分析表明,切削齒的前、后刀面在巖石破碎過程中所起的作用不同,所受切削力以及切削熱的產(chǎn)生均不同,因此應(yīng)分別研究切削角度對前、后刀面溫度分布的影響。

    2.4.1 切削角度對前刀面溫度場分布的影響

    不同切削角度下前刀面溫度變化曲線如圖5所示。從圖5可見,溫度變化曲線存在相同的三個(gè)階段:上升期、過渡期以及穩(wěn)定期。切削角度不同也會(huì)造成溫度變化的差異:在0°~15°時(shí),前刀面溫度波動(dòng)程度較大,而且溫度隨著切削角度的增大也相應(yīng)地升高;在15°~25°時(shí),前刀面溫度波動(dòng)較小,且溫度隨切削角度的增大反而降低。

    切削角度對切削齒前刀面的溫升速率存在明顯的影響(見圖5),當(dāng)角度為0°、5°、10°、15°、20°及25°時(shí),前刀面的上升期溫度隨切削行程的增長速率分別為0.23、0.33、0.27、0.34、0.33及0.22 ℃/mm。

    圖5 不同切削角度下前刀面溫度變化曲線

    2.4.2 切削角度對后刀面溫度場分布的影響

    不同切削角度下后刀面溫度變化曲線如圖6所示。從圖6可見,后刀面溫度變化平緩且切削角度對后刀面溫度的波動(dòng)變化影響不明顯。這是由于在破碎巖石的過程中,前刀面承擔(dān)主要的切削作用,切削力波動(dòng)明顯,造成前刀面溫度波動(dòng)加劇,而后刀面在切削過程中主要承受與巖石切削表面及巖屑的摩擦作用,切削力波動(dòng)平穩(wěn),因此后刀面溫度幅值變化不明顯。

    圖6 不同切削角度下后刀面溫度變化曲線

    3 巖石切削仿真分析與討論

    3.1 切削角度對巖屑粒度以及巖屑流動(dòng)的影響

    切削深度d=1.0 mm時(shí)切削過程以及巖屑單元損傷情況如圖7所示。

    從圖7可見,切削角度不同,破巖過程存在如下明顯差異:巖屑粒度隨切削角度的增大而減小,當(dāng)切削角度為25°時(shí),形成粒度較小、形狀較為規(guī)則的巖屑,而當(dāng)切削角度為0°時(shí),破碎巖石形成粒度較大而且形狀不一的巖屑;當(dāng)切削角度增大時(shí),巖屑與刀面的接觸面積也相應(yīng)增大;切削角度增大,巖屑流動(dòng)更加困難,切削角度的增大會(huì)增加巖屑與刀面的粘結(jié)作用與累積。

    巖屑單元的損傷程度也能表示在不同切削角度下巖屑粒度的變化(紅色表示單元發(fā)生完全損壞,藍(lán)色表示單元發(fā)生輕微或未損壞)。通過圖7可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)切削角度為0°時(shí),巖屑層未損傷單元較多,表示巖屑粒度大,而切削角度為25°時(shí),巖屑層紅色單元較多,表示巖屑破壞程度大,巖屑粒度小。

    圖7 d=1.0 mm時(shí)切削過程以及巖屑單元損傷情況

    由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),巖屑粒度隨切削角度的增大而減小,并且?guī)r屑流動(dòng)也會(huì)更加困難。巖屑粒度的變化趨勢同樣存在于切削深度d=1.5和2.0 mm的破巖過程中(見圖8和圖9)。不同切削角度下切削過程的差異如圖10所示。從圖8a、圖9a及圖10a可知,在相同的切削角度下,巖屑的粒度隨切削深度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。因此巖屑粒度的大小不僅受切削角度的影響,切削深度的變化也會(huì)改變巖屑粒度。在文獻(xiàn)[27]中進(jìn)行的線性切削試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)切削角度越大,較小尺寸巖屑所占比例越大,與本文模擬結(jié)果一致。

    圖8 d=1.5 mm時(shí)切削過程以及巖屑單元損傷情況

    圖9 d=2.0 mm時(shí)切削過程以及巖屑單元損傷情況

    模擬在不同切削角度和切削深度下的切削過程,切削角度的改變不僅影響巖屑粒度的變化,還會(huì)影響巖屑的流動(dòng)。切削角度增大,巖屑流動(dòng)更加困難,而且?guī)r屑易在前刀面累積,當(dāng)切削角度較大時(shí),切削齒前刀面的巖石受到更大的擠壓作用,出現(xiàn)應(yīng)力集中形成壓實(shí)核;而在切削角度為0°時(shí),沒發(fā)現(xiàn)壓實(shí)核的存在(見圖10)。

    圖10 不同切削角度下切削過程的差異

    綜上所述,切削角度的改變會(huì)影響巖屑粒度的變化,而且切削角度的增大會(huì)在切削過程中使巖屑發(fā)生擠壓變形而形成壓實(shí)核,并且加劇巖屑在前刀面的累積,增大巖屑與切削齒前刀面的摩擦力,使巖屑流動(dòng)更加困難。

    3.2 切削角度對前刀面溫度場分布的影響

    切削角度對巖屑粒度以及巖屑流動(dòng)的影響會(huì)直接導(dǎo)致切削齒的溫度變化(見圖11)。在階段Ⅰ(切削角度較小),巖石發(fā)生剪切破碎,隨著切削角度的增大,切削齒對巖屑的剪切變形加劇,使巖屑流動(dòng)更加困難,由上述分析可知,當(dāng)切削角度增大,巖屑更易在前刀面累積,增加巖屑與前刀面的摩擦,第Ⅰ、Ⅱ產(chǎn)熱區(qū)產(chǎn)熱同時(shí)增加,造成切削齒前刀面平均溫度上升。由式(2)也可發(fā)現(xiàn),當(dāng)巖石的變形增大后,前刀面溫度上升。

    圖11 不同切削深度和切削角度下前刀面溫度變化曲線

    在階段Ⅱ,巖石不再發(fā)生剪切破碎,而是發(fā)生明顯的擠壓破碎,巖石的抗壓強(qiáng)度成為巖石破碎的關(guān)鍵參數(shù),式(1)不再適用階段Ⅱ,巖石抗壓強(qiáng)度基本恒定,因此破碎巖石所需的切削力也相對穩(wěn)定。但由于切削角度增大,切削齒前刀面與巖石的接觸面積增大,前刀面的平均受力減小(見圖4a),產(chǎn)生切削熱也相應(yīng)較少,而且較大的接觸面積有利于切削熱的傳導(dǎo)與散溢,減小熱量累積,因此切削溫度在此階段隨切削角度的增大而下降。

    當(dāng)切削深度d=1.5和2.0 mm時(shí),前刀面變化具有相同的變化趨勢,但由于切削深度較大,形成的巖屑粒度較大,巖屑帶走較多的切削熱,而且由于粒度大的巖屑與切削齒間歇接觸,接觸面積也不斷發(fā)生變化,造成不連續(xù)性熱傳導(dǎo),因此變化趨勢相較于d=1.0 mm不明顯,而且切削齒前刀面溫度相對于切削深度d=1.0 mm時(shí)降低。

    溫升速率同樣隨切削角度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在階段Ⅰ,切削角度的增加,加劇巖屑的剪切變形和流動(dòng)阻力變化,使更多的切削熱傳導(dǎo)至切削齒前刀面,增大溫升速率。在階段Ⅱ,由于破碎模式發(fā)生變化以及接觸面積的增大,溫升速率會(huì)相應(yīng)地減小。較大的溫升速率會(huì)在切削齒內(nèi)部產(chǎn)生相對大的溫度梯度,從而造成較大的熱應(yīng)力,加劇切削齒的熱磨損,因此要選擇合理的切削角度避免較大溫升速率的產(chǎn)生。

    3.3 切削角度對后刀面溫度場分布的影響

    后刀面切削溫度隨切削角度的增大,整體呈現(xiàn)減小的趨勢(見圖12),這主要與后刀面溫升的產(chǎn)熱源有關(guān)。由巖石切削熱模型可知:后刀面溫升熱源為第Ⅲ產(chǎn)熱區(qū);后刀面的摩擦產(chǎn)熱量決定其溫度高低。當(dāng)切削角度增大時(shí),后刀面受力整體呈減小的變化趨勢(見圖4b)。在不同切削角下巖屑流動(dòng)對比如圖13所示。通過圖13可發(fā)現(xiàn),切削角增大能夠降低后刀面與巖屑和已切削表面的摩擦,產(chǎn)熱量相應(yīng)減少。與式(2)一致,當(dāng)摩擦熱減少時(shí),后刀面溫度降低并呈現(xiàn)隨切削角度的增加而降低的變化趨勢。

    圖12 不同切削深度和切削角度下后刀面溫度變化曲線

    圖13 在不同切削角下巖屑流動(dòng)對比圖

    在不同的切削深度下存在相同的變化趨勢(見圖12),增大切削角,降低后刀面摩擦,導(dǎo)致后刀面溫度整體呈下降趨勢。由于巖屑主要由前刀面流出,巖石破碎模式的轉(zhuǎn)變主要影響切削齒前刀面受力以及溫度的變化,對后刀面影響較小,因此即使在不同的切削深度下,切削角度增大,減少摩擦產(chǎn)熱,后刀面溫度降低,溫升速率也相應(yīng)隨切削角度的增大而減小。

    3.4 結(jié)果討論

    巖屑粒度的變化對于切削齒的溫度變化及分布有明顯關(guān)系,而且?guī)r屑粒度大小與巖石破碎模式密切相關(guān)。巖屑粒度大,巖石以脆性破碎為主,巖屑粒度小,巖石塑性破碎所占比重大[28]。當(dāng)切削角度較小時(shí),巖石發(fā)生以剪切為主的脆性破壞,產(chǎn)生粒度較大的塊狀巖屑,而當(dāng)切削角度較大時(shí),巖石發(fā)生以擠壓為主的塑性破壞,產(chǎn)生粒度較小的粉末或顆粒狀巖屑。切削角度的改變會(huì)使巖石破碎模式發(fā)生轉(zhuǎn)變,隨著切削角度的增大,巖石由剪切破碎轉(zhuǎn)變成擠壓破碎,因此在研究巖石破碎以及切削齒與巖石的相互作用時(shí),根據(jù)切削參數(shù)的不同應(yīng)首先明確巖石破碎模式。

    不同切削角度和切削深度下前刀面溫度變化如圖14所示。從圖14可見,即使切削角度不同,切削深度對前刀面溫度變化仍存在相似的影響:切削深度小于臨界切削深度時(shí),切削深度增大,前刀面溫度升高;切削深度大于臨界切削深度時(shí),前刀面溫度隨切削深度的增加而降低[29]。

    切削角度會(huì)降低切削深度對切削齒前刀面溫度的影響(見圖14),相較于切削角度為15°、25°時(shí)的前刀面溫度明顯降低,雖然仍呈現(xiàn)隨切削深度先上升后降低的變化趨勢,但該趨勢不明顯,主要是由于切削角度的增大,切削深度對巖石破碎模式的影響減弱,塑性破碎比重增加,脆性破碎對前刀面溫度變化影響減小,因此,切削角度較大時(shí),切削深度對前刀面平均溫度的影響減弱。

    相較于切削角度15°,切削角度為0°時(shí)切削齒達(dá)到最高溫度時(shí)的切削深度明顯減小,這與巖石的破碎模式密切相關(guān)。在相同的切削深度下,切削角度的大小影響巖石破碎模式的轉(zhuǎn)變,切削角度較小,巖石越易發(fā)生脆性破碎,因此反映在溫度變化規(guī)律上表現(xiàn)為達(dá)到最高溫度時(shí)對應(yīng)切削深度減小。

    從圖14可見,在不同的切削深度下,切削角度對切削齒前刀面溫升速率存在明顯的影響,當(dāng)切削角度為15°時(shí),切削齒前刀面的溫升速率為5.67 ℃/mm,而當(dāng)切削角度為0°和25°時(shí),前刀面的溫升速率分別為3.0和0.9 ℃/mm。因此在實(shí)際破巖過程中,要選擇合理的切削角度及切削深度等參數(shù),以降低溫升速率,減小對切削齒的熱沖擊。

    圖14 不同切削角度和切削深度下前刀面溫度變化曲線

    綜上所述,切削溫度是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果,當(dāng)切削深度在較小的范圍內(nèi),切削角度應(yīng)選擇5°~10°,切削齒溫度和溫升速率相對較低,增加脆性破碎的概率,產(chǎn)生粒度較大的塊狀巖屑,能夠保證較高的破碎效率。當(dāng)切削深度較大時(shí),切削角度應(yīng)為20°~25°,較大的切削角能夠削弱切削深度對巖石破碎模式的影響,使切削力和切削溫度變化相對平緩,減少對切削齒的沖擊,而且較大的切削角能增強(qiáng)切削齒強(qiáng)度,延長切削齒的使用壽命。

    4 結(jié) 論

    通過建立單齒破巖模型,研究不同切削角度下巖石的破碎過程,揭示了切削角度對巖石破碎過程以及切削齒溫度分布的影響規(guī)律,得到如下結(jié)論。

    (1)巖屑的粒度隨切削角度的增大而減小,切削角度的增加會(huì)加劇巖屑在前刀面的累積,使巖屑流動(dòng)困難,巖屑的擠壓變形導(dǎo)致切削齒前刀面摩擦熱增加、溫度升高。

    (2)存在切削角臨界值,當(dāng)切削角大于臨界值,巖石不再發(fā)生剪切破碎,而是發(fā)生明顯的擠壓破碎,溫度以及溫升速率隨切削角的繼續(xù)增大而降低,后刀面與巖石的摩擦作用隨切削角度的增大而減弱,切削齒后刀面溫度降低。

    (3)巖石破碎模式的變化是切削深度和切削角度共同作用的結(jié)果;當(dāng)切削深度小于臨界值時(shí),切削角度宜選5°~10°,既能使切削齒溫度較低,又能提高切削齒破巖效率;當(dāng)切削深度大于臨界值時(shí),切削角度應(yīng)選用20°~25°,既能增強(qiáng)切削齒的強(qiáng)度,又能延長切削齒的使用壽命。

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