針對巖石鉆機旋沖鉆孔過程中破巖效率低的問題,基于巖石力學(xué)理論和有限元理論,建立了球形鉆齒與巖石的相互作用受力模型以及旋沖鉆孔破巖的有限元模型。采用了非線性有限元分析軟件LS-DYNA來模擬不同參數(shù)下的旋沖鉆孔過程,得到了鉆頭破巖過程中鉆齒吃入深度與時間以及破碎體積、破碎比功隨轉(zhuǎn)速和頻率的變化曲線;分析了轉(zhuǎn)速與頻率對破巖效率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:轉(zhuǎn)速對鉆齒吃入深度影響不大,巖石破碎主要發(fā)生在沖擊力卸載之后,當(dāng)轉(zhuǎn)速在30 r/min～35 r/min,頻率在20 Hz～30 Hz范圍內(nèi),破巖效率相對較高,能夠充分提高能量利用率;該結(jié)果可以為鉆頭的合理設(shè)計以及巖石鉆具的鉆孔工藝參數(shù)選擇提供依據(jù)。 

【文章來源】：機電工程. 2020,37(07)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

球形鉆齒與巖石相互作用受力模型

筆者將三維模型導(dǎo)入HyperMesh中進行網(wǎng)格的自動劃分,鉆頭和巖石的有限元模型如圖2所示。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]。鉆頭與鉆齒相對于巖石來說較硬,為了便于計算求解可視為剛體。

筆者依據(jù)巖石鉆機的實際使用經(jīng)驗,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,鉆齒吃入深度與轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3所示。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,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)部存儲波的能量產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,巖石的拉伸強度遠小于抗壓強度,故巖石更容易產(chǎn)生拉應(yīng)力破碎,所以此時鉆齒的吃入深度迅速增大,結(jié)果表明,旋轉(zhuǎn)速度對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。

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3145436