冲旋钻头结构对其寿命及破岩效率的影响研究

徐海良, 郑 义, 赵宏强, 徐绍军

(中南大学 机电工程学院,湖南 长沙 410083)

冲旋钻头结构对其寿命及破岩效率的影响研究

徐海良, 郑 义, 赵宏强, 徐绍军

(中南大学 机电工程学院,湖南 长沙 410083)

为研究气体冲旋钻头结构对其破岩性能的影响,文章采用非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,以岩石力学和有限元理论为基础,选择适合岩石侵彻问题的Drucker-Prager本构模型,建立了气体冲旋钻头破岩的有限元模型,模拟不同结构气体冲旋钻头破岩的过程，得到了钻头破岩过程中力与时间的变化曲线以及平均力、比能随结构参数变化的曲线;当第2齿面倾角取25°、第3齿面倾角取44°、露齿高度取7.25 mm、钻齿半径取6.75 mm时,钻头所受的阻力平均值和钻头破岩所需比能较小,有利于延长气体冲旋钻头的使用寿命,并能提高能量利用率。

冲旋钻头;ANSYS/LS-DYNA软件;有限元;齿面倾角;载荷波动

为了解决硬质地层中非开挖扩孔的问题,设计了一种新型扩孔设备——反向扩孔气动冲击器[1]。该设备将冲击和旋转相结合进行破岩,活塞在高压气体的推动下快速周期运动,快速运动的活塞能够产生很大的冲击力,作用于钻头上,使得钻头与岩石的接触应力瞬时达到最大值,造成岩石较大的体积破碎,同时钻头在水平定向钻机带动下旋转切削岩石,实现冲击加旋转的破岩方式,极大地提高了碎岩效率[2-3]。但是由于对破岩机理的基础理论研究不足,导致缺乏较好地适用于该设备的钻具[4]。随着计算机技术的快速发展,采用计算机仿真技术对复杂的物理模型进行研究成为可能[5]。……