FGQ-600型潛孔錘鉆頭沖擊應(yīng)力作用下強(qiáng)度可靠性分析

楊合，戚波，曹品魯，陳寶義，博坤

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130061）

0 引言

近年來，我國滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大威脅［1-3］，因此，災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的巖土體穩(wěn)定性建設(shè)和災(zāi)害快速治理至關(guān)重要。20世紀(jì)80年代以來，設(shè)置抗滑樁支擋［4-5］逐漸發(fā)展為滑坡、泥石流等災(zāi)害防治的重要手段，但是災(zāi)害發(fā)生區(qū)域往往地層條件復(fù)雜、地層破碎［5-7］，常規(guī)鉆探技術(shù)容易引起孔壁坍塌等各種孔內(nèi)事故［8］。大直徑潛孔錘空氣反循環(huán)跟管鉆進(jìn)技術(shù)集潛孔錘跟管鉆進(jìn)、空氣反循環(huán)鉆進(jìn)于一身，依靠高壓氣體在沖錘上下端面形成壓差，推動(dòng)活塞往復(fù)沖擊鉆頭進(jìn)而達(dá)到碎巖效果，鉆進(jìn)速度快、排渣效果好，同步下入套管穩(wěn)定孔壁，能夠快速成樁，適用于堅(jiān)硬、破碎地層，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害防治中［9-17］。大直徑反循環(huán)跟管鉆頭是實(shí)現(xiàn)反循環(huán)跟管鉆進(jìn)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，同時(shí)起著直接碎巖的作用［9，15，18］?；钊鲎层@頭產(chǎn)生的應(yīng)力波在鉆頭體內(nèi)傳播，遇巖石時(shí)會(huì)發(fā)生反射引起波的疊加，鉆頭總受力迅速增加［19-20］。且在鉆進(jìn)過程中鉆頭承受較大的沖擊功，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低、進(jìn)尺困難或無法進(jìn)尺，嚴(yán)重時(shí)會(huì)延誤災(zāi)害防治，威脅人民的生命安全［1，21］。因此，對(duì)大直徑反循環(huán)跟管鉆頭進(jìn)行應(yīng)力傳遞特性及強(qiáng)度分析至關(guān)重要。

與常規(guī)反循環(huán)鉆頭不同，F(xiàn)GQ-600型潛孔錘鉆頭分為上、下鉆頭體，二者依靠懸掛銷軸連接，通過軸槽配合實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn)。鉆頭體內(nèi)有復(fù)雜的氣體通道和變徑機(jī)構(gòu)，對(duì)鉆頭強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的影響。因此，本文利用有限元分析軟件［15，22］對(duì)沖擊應(yīng)力作用下的鉆頭強(qiáng)度進(jìn)行分析，并對(duì)起下鉆過程中懸掛銷軸的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。

1 FGQ-600型潛孔錘鉆頭工作原理

FGQ-600大直徑潛孔錘反循環(huán)偏心式跟管鉆頭如圖1（a）所示，鉆頭由上、下鉆頭體，懸掛銷軸組成。上、下鉆頭體中心有相互配合的弧形凹槽與凸軸，二者依靠懸掛銷軸連接。鉆進(jìn)前，下鉆頭體處于收縮位置，直徑為530 mm。到達(dá)孔底后鉆具帶動(dòng)上鉆頭體回轉(zhuǎn)，下鉆頭體弧形凸軸受到上鉆頭體凹槽的擠推力而沿凹槽伸出，到達(dá)最大位置后在凹槽的限位作用下下鉆頭體隨上鉆頭體一起回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)大直徑孔施工，鉆孔直徑為600 mm，如圖1（b）所示。鉆進(jìn)時(shí)，活塞在壓差作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊上鉆頭體上端面將沖擊功傳遞給下鉆頭體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碎巖。扭矩通過花鍵套傳遞給上鉆頭體的花鍵，之后通過環(huán)形凹槽與凸軸傳遞給下鉆頭體，同時(shí)上鉆頭體上的環(huán)形臺(tái)階帶動(dòng)套管隨鉆下行。作業(yè)完成后，提拉潛孔錘及鉆頭，套管靴擠壓下鉆頭體的臺(tái)肩使下鉆頭體沿弧形凹槽收回，并將鉆頭提出鉆孔。此外，鉆頭內(nèi)部設(shè)有氣體通道以實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)。氣體通道包括內(nèi)噴孔、底噴孔、排渣導(dǎo)槽、吸渣通道、泄壓槽和中心通道。正常工作時(shí)，下鉆頭體完全伸出，此時(shí)上、下鉆頭體的中心通道和底噴孔分別連通，高壓氣體一部分從內(nèi)噴孔進(jìn)入中心通道形成負(fù)壓以抽吸孔底巖屑和氣體，一部分經(jīng)底噴孔噴出后分別沿吸渣通道和排渣導(dǎo)槽攜帶巖屑至中心通道。泄壓槽連通了活塞中心通道和鉆頭花鍵槽，形成了排氣通道，如圖1（c）所示。鉆頭受到活塞沖擊后，沖擊波以波的形式在鉆頭體內(nèi)傳播，當(dāng)傳播至鉆頭與巖石接觸面時(shí)發(fā)生反射，引起波的疊加，從而導(dǎo)致鉆頭受力增加。綜上所述，鉆頭體受碰撞后能量以應(yīng)力波的形式傳播，其在孔底受力復(fù)雜、內(nèi)部復(fù)雜的氣體通道和變徑機(jī)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度均有影響。因此，對(duì)鉆頭體進(jìn)行應(yīng)力傳遞過程及強(qiáng)度分析具有重要意義。

圖1 潛孔錘鉆頭工作原理Fig.1 DTH hammer drill bit working principle

2 沖擊作用下鉆頭強(qiáng)度模擬及應(yīng)力傳遞特性分析

貫通式潛孔錘碎巖時(shí)活塞以一定的速度沖擊鉆頭體，沖擊瞬間鉆頭體承受較大的沖擊應(yīng)力，產(chǎn)生的應(yīng)力波在鉆頭體內(nèi)傳播并在與巖石接觸表面發(fā)生反射引起波的疊加，易產(chǎn)生應(yīng)力集中和疲勞破壞［23-24］，因此沖擊載荷下鉆頭的應(yīng)力傳遞特性及強(qiáng)度問題不容忽視。ABAQUS是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、熱工、土木等工程領(lǐng)域［22］。本文采用ABAQUS有限元軟件［22］對(duì)沖擊載荷下鉆頭強(qiáng)度進(jìn)行模擬，分析步類型為Dynamic/Explicit，算法為中心差分法。

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

設(shè)計(jì)潛孔錘擴(kuò)孔直徑為600 mm，活塞直徑為270 mm，活塞長720 mm。為簡化模型，做如下假設(shè)：（1）忽略鉆頭以外的鉆具對(duì)鉆頭強(qiáng)度的影響；（2）忽略鉆頭底部球齒對(duì)鉆頭整體強(qiáng)度的影響，將其與下鉆頭體看作整體；（3）忽略巖石表面不平產(chǎn)生的影響；（4）鉆頭底部始終與巖石接觸，為完全固定狀態(tài)。基于以上假設(shè)，建立沖擊模型，活塞沖擊鉆頭涉及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)，其基本方程為：

{[M]{u¨}+[C]{u˙}+[K]u={P(t)}}（1）式中：［M］——質(zhì)量矩陣；［C］——阻尼矩陣；［K］——?jiǎng)偠染仃?；｛u¨｝、｛u˙｝、u——分別為加速度向量、速度向量、位移向量。

簡化模型如圖2（a）所示。其中，鉆頭材料選擇具有高強(qiáng)度、高疲勞極限和良好抗沖擊性能的合金結(jié)構(gòu)鋼（合金調(diào)質(zhì)鋼）42CrMo，懸掛銷軸材料為40Cr，活塞采用XGQ25合金結(jié)構(gòu)鋼［25］，其含有較高的鎳，具有優(yōu)良的沖擊韌性和抗疲勞強(qiáng)度。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［26］查得42CrMo、XGQ25和40Cr的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 42CrMo、XGQ25、40Cr物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical properties of 42CrMo,XGQ25 and 40Cr

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高模擬效率，且考慮到ABAQUS中通過設(shè)置沖擊速度來反映沖擊功，設(shè)置活塞底面與鉆頭上端相隔0.5 mm，此時(shí)活塞撞擊到鉆頭體用時(shí)約0.11 ms。利用inventor建模，將模型以.stp格式導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，先分別對(duì)活塞、上鉆頭體、下鉆頭體、懸掛銷軸進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在不能生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的復(fù)雜區(qū)域使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格局部進(jìn)行改動(dòng)優(yōu)化，之后在二維網(wǎng)格基礎(chǔ)上生成三維網(wǎng)格。利用網(wǎng)格質(zhì)量檢查功能對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，網(wǎng)格數(shù)約為90萬，如圖2（b）所示。

圖2 活塞沖擊鉆頭示意Fig.2 Schematic diagram of the drill bit under impact load

2.2 約束條件

沖擊鉆進(jìn)中鉆頭主要承受活塞的沖擊力，軸向荷載起形成預(yù)應(yīng)力、改善沖擊功傳遞條件、加強(qiáng)沖擊效果、克服沖擊器反彈力的輔助作用［27-29］，因此忽略軸向載荷對(duì)鉆頭強(qiáng)度的影響?？紤]到該跟管鉆頭配套潛孔錘的沖擊功為2500 J，取沖擊功分別為2500、2800、3100、3400、3700、4000 J。根據(jù)式（2）求得相應(yīng)的活塞沖擊速度為4.5342、4.7986、5.0491、5.2878、5.5161、5.7354 m/s。由于活塞與鉆頭間距較小，因此忽略重力加速度對(duì)活塞沖擊速度的影響。對(duì)活塞X、Z方向施加固定約束，使活塞只能以不同速度沿Y軸即活塞軸線方向撞擊鉆頭，鉆頭底面施加一固定約束。

式中：E——沖擊功，J；m——活塞質(zhì)量，取243.2 kg；v——活塞末速度，m/s。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)材料力學(xué)，鉆頭材料許用安全系數(shù)可取1.14［30］。以2500 J為例，觀察沖擊過程中活塞能量變化（如圖3所示）。0～0.11 ms活塞未撞擊到鉆頭體，能量保持不變。0.11～0.38 ms能量急劇下降，說明活塞撞擊鉆頭體并通過應(yīng)力波的形式將能量傳遞給鉆頭體。0.40 ms以后能量急劇上升，說明活塞開始回彈。綜上，選擇0.40 ms為模擬時(shí)長，此時(shí)活塞已經(jīng)開始回彈，鉆頭體不再承受活塞的沖擊力。

圖3 活塞能量隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Energy vs time for the piston

對(duì)不同沖擊功下鉆頭體強(qiáng)度進(jìn)行分析，如圖4所示。隨著沖擊功增大，鉆頭體的應(yīng)力值逐漸增大。2500 J時(shí)上鉆頭體上端面泄壓槽附近出現(xiàn)最大等效應(yīng)力為808.9 MPa，在安全系數(shù)為1.14的情況下等效為922.14 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度930 MPa。3100 J時(shí)最大等效應(yīng)力為902.7 MPa，小于鉆頭體材料的屈服極限930 MPa。而3400 J時(shí)最大等效應(yīng)力為944.7 MPa，略超出鉆頭體材料的屈服極限930 MPa。隨著沖擊功進(jìn)一步增加至4000 J時(shí)，最大等效應(yīng)力達(dá)到1022 MPa，遠(yuǎn)超出鉆頭體材料的屈服極限，可能導(dǎo)致鉆頭體發(fā)生塑性變形甚至破壞。綜上所述，在配套潛孔錘沖擊功為2500 J的條件下，鉆頭體強(qiáng)度滿足要求。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到?jīng)_擊功在2500～4000 J范圍內(nèi)最大應(yīng)力與沖擊功間的關(guān)系式如下：

圖4 應(yīng)力與沖擊功關(guān)系Fig.4 Relationship between von-mise stress and impact energy

式中：S——應(yīng)力，MPa；E——沖擊功，J。

擬合相關(guān)系數(shù)為0.996，接近1說明擬合效果良好。由式（3）可以看出，鉆頭體應(yīng)力與沖擊功成正比，這是因?yàn)闆_擊功越大，傳遞給鉆頭的能量也就越多，即鉆頭體應(yīng)力越大。

以配套潛孔錘的沖擊功2500 J為例，觀察鉆頭應(yīng)力波傳播情況，如圖5所示?；钊麤_擊鉆頭體并以應(yīng)力波的形式傳播能量。0.15 ms左右應(yīng)力波傳至上鉆頭體變徑處，此處應(yīng)力值不斷增大；0.30 ms時(shí)應(yīng)力波傳至下鉆頭體底部；0.35 ms時(shí)應(yīng)力波經(jīng)下鉆頭底部反射回上鉆頭體，上鉆頭體應(yīng)力增大；0.40 ms時(shí)可以看到后續(xù)更多應(yīng)力波反射疊加使下鉆頭體應(yīng)力增加，同時(shí)上鉆頭體應(yīng)力逐漸衰減。

圖5 2500 J下不同時(shí)刻鉆頭應(yīng)力云圖Fig.5 Drill bit von-mise stress variation at different times under 2500J

分析2500 J沖擊功下關(guān)鍵位置強(qiáng)度。氣體通道附近應(yīng)力值均在808.9 MPa以下，低于材料的屈服強(qiáng)度930 MPa，其中泄壓槽附近出現(xiàn)應(yīng)力最大值808.9 MPa，如圖6（a）所示，此處不僅受氣體通道的影響，還直接承受著來自活塞的沖擊力?；ㄦI處應(yīng)力在808.9 MPa以內(nèi)，卡槽處應(yīng)力集中在337.1～539.9 MPa，如圖6（b）所示。上、下鉆頭體接觸處應(yīng)力值均位于285.3 MPa以下，上鉆頭體銷孔與上、下鉆頭體接觸處應(yīng)力值較其他部分高，如圖6（c）所示。懸掛銷軸應(yīng)力值在274.7 MPa以內(nèi)，其與上、下鉆頭體接觸中部應(yīng)力較高，但均低于銷軸材料的屈服強(qiáng)度785 MPa，如圖6（d）所示。綜上所述，鉆頭體在2500 J沖擊功下強(qiáng)度符合要求。

圖6 關(guān)鍵部位應(yīng)力示意Fig.6 Schematic diagram of stress in the key parts

分別取關(guān)鍵部位觀察其應(yīng)力隨時(shí)間變化情況，通過選擇同一編號(hào)的單元來保證不同沖擊功下點(diǎn)選取的一致性（如圖7所示）。所有關(guān)鍵部位的應(yīng)力值均隨沖擊功的增大而增大（如圖8所示）。泄壓槽處應(yīng)力峰值為300 MPa左右，而內(nèi)噴孔、吸渣通道、中心通道處應(yīng)力峰值降低至200 MPa左右，到達(dá)上、下鉆頭體接觸處時(shí)應(yīng)力峰值不足100 MPa，懸掛銷軸處應(yīng)力峰值驟減為60 MPa左右?？梢娔芰吭趥鬟f過程中逐漸衰減，在各部件接觸處衰減明顯。排渣導(dǎo)槽位于鉆頭底面，其應(yīng)力峰值（100 MPa左右）大于懸掛銷軸的原因在于，從上鉆頭體傳來的應(yīng)力波經(jīng)上下鉆頭體接觸處、下鉆頭體與懸掛銷軸接觸處兩次衰減。而排渣導(dǎo)槽處的應(yīng)力波主要由兩部分組成，一部分為經(jīng)底噴孔上、下鉆頭體接觸處、下鉆頭體與懸掛銷軸接觸處兩次衰減后的應(yīng)力波，另一部分為經(jīng)上、下鉆頭體接觸處衰減而直接傳至下鉆頭體的應(yīng)力波。此外，隨著沖擊功增加，各部位應(yīng)力變化均提前，說明鉆頭應(yīng)力波傳遞速度隨沖擊功增大而變快。

圖7 關(guān)鍵部位點(diǎn)的選取Fig.7 Selection of key points

圖8 關(guān)鍵部位應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Stress vs time for the key points

3 懸掛銷軸強(qiáng)度分析

起下鉆時(shí)，懸掛銷軸不受沖擊力，主要起支撐下鉆頭體的作用，承受下鉆頭體的直接拉力，一旦失效，將導(dǎo)致下鉆頭掉落，影響鉆進(jìn)效率。因此對(duì)起下鉆過程中的懸掛銷軸進(jìn)行強(qiáng)度校核具有重要意義。

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

沿用沖擊載荷下的假設(shè)，利用inventor建立模型，模型由上、下鉆頭體及懸掛銷軸組成，下鉆頭體處于收回狀態(tài)。將裝配好的模型以.stp格式導(dǎo)入有限元軟件中，按曲率自由劃分網(wǎng)格，總體網(wǎng)格數(shù)量為82.5萬。

3.2 載荷及邊界條件

鉆頭受到豎直向上的拉力，考慮到上鉆頭體質(zhì)量為516 kg，懸掛銷軸質(zhì)量為4.32 kg，下鉆頭體質(zhì)量為198 kg，且提鉆時(shí)可能粘附有巖屑，因此拉力設(shè)為10 kN。如圖9所示，上表面施加均布載荷Pressure，根據(jù)上表面表面積為0.03 m2，求出均布應(yīng)力約為-3.3×105Pa，鉆頭底唇面施加一固定約束Fixed Support，同時(shí)沿鉆頭中心軸線豎直向下的重力加速度為9.8066 m/s2。懸掛銷軸與軸槽之間及上下鉆頭體間接觸類型為Frictional。研究懸掛銷軸直徑對(duì)其強(qiáng)度的影響，由于上鉆頭體銷孔與底噴孔中心距最小為34.512 mm，底噴孔直徑為6 mm，為保證銷孔不對(duì)底噴孔及其附近強(qiáng)度造成較大影響，銷軸直徑最大不能超過40 mm。

圖9 載荷設(shè)置Fig.9 Load setting

3.3 結(jié)果分析

當(dāng)銷軸直徑從24 mm增加至40 mm時(shí)，最大應(yīng)力從483.54 MPa減小至383.66 MPa，相應(yīng)最大應(yīng)變從2.4×10-3減小至1.9×10-3，如圖10所示。即隨著銷軸直徑的增大，銷軸最大應(yīng)力不斷減小。線性擬合得出銷軸最大應(yīng)力與直徑的關(guān)系式為：

圖10 不同直徑下懸掛銷軸的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.10 Stress vs strain for the suspension pins with different diameters

式中：S——應(yīng)力，MPa；d——銷軸直徑，mm。

擬合相關(guān)系數(shù)為0.926，接近1說明擬合效果良好。由式（4）可以看出銷軸應(yīng)力與直徑呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)銷軸直徑趨近于無限大時(shí)，最大應(yīng)力趨近于零但不等于零。這是因?yàn)殇N軸受最大彎應(yīng)力與直徑的平方成反比，直徑增大，銷軸所受最大應(yīng)力減小。

懸掛銷軸材料40Cr的屈服強(qiáng)度為785 MPa，由40Cr許用應(yīng)力圖表可知一般機(jī)械軸類許用安全系數(shù)為2.0［31-32］。起下鉆時(shí)，懸掛銷軸兩端位于上鉆頭體銷孔中，中部與上、下鉆頭體接觸，承受主要載荷，是銷軸的薄弱位置。如圖11所示，拉力為10 kN時(shí)，直徑為40 mm的懸掛銷軸最大應(yīng)力為383.66 MPa，應(yīng)變?yōu)?.9×10-3，在安全系數(shù)2.0的條件下最大應(yīng)力等效為767.32 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度785 MPa。因此，40 mm懸掛銷軸強(qiáng)度滿足要求。如表2所示，當(dāng)銷軸直徑為16 mm時(shí)，銷軸最大應(yīng)力為15.6 GPa，產(chǎn)生塑性變形，因此建議銷軸直徑不得小于20 mm。

圖11 10 kN下應(yīng)力應(yīng)變與拉力關(guān)系Fig.11 Relationship between von-mise stress-equivalent strain and tensile force under 10kN

表2 不同直徑下懸掛銷軸應(yīng)力應(yīng)變值Table 2 Stress-strain values of the suspension pins with different diameters

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件對(duì)沖擊載荷下FGQ-600大直徑潛孔錘反循環(huán)跟管鉆頭強(qiáng)度進(jìn)行了模擬分析，得到以下結(jié)論：

（1）沖擊載荷作用下，沖擊力以應(yīng)力波的形式傳遞給鉆頭進(jìn)而傳遞給巖石，應(yīng)力隨著沖擊功的增大而增大。

（2）2500 J的沖擊功下鉆頭最大等效應(yīng)力為808.9 MPa，低于材料屈服極限930 MPa，滿足強(qiáng)度要求。3100 J沖擊功下鉆頭最大等效應(yīng)力為902.7 MPa，超出3400 J后，鉆頭最大等效應(yīng)力達(dá)到944.7 MPa，超出材料屈服強(qiáng)度，不滿足強(qiáng)度要求。

（3）能量在活塞與上鉆頭體、鉆頭體與懸掛銷軸接觸處、上下鉆頭體接觸處衰減明顯。活塞與泄壓槽接觸處應(yīng)力最大，是鉆頭的薄弱部位，應(yīng)通過優(yōu)化接觸面形狀等方法提高鉆頭強(qiáng)度。

（4）起下鉆過程中，懸掛銷軸應(yīng)力隨銷軸直徑的增大而減小，40 mm時(shí)銷軸最大應(yīng)力為383.66 MPa，安全系數(shù)約為2.05，滿足強(qiáng)度要求。當(dāng)銷軸直徑為16 mm時(shí)，銷軸發(fā)生塑性變形，建議銷軸直徑不得小于20 mm。