纵-扭复合振动辅助岩石钻削机理及效率

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.04.013

摘要/Abstract

摘要：

针对单一纵向或扭转振动辅助岩石钻削的局限性，提出纵-扭复合振动辅助岩石钻削方案.首先对该方案的理论模型进行分析；然后基于EDEM（event driven execution manager）软件的离散元法（discrete element method， DEM）对不同情况下岩石的钻进机理和效果进行模拟，结果表明添加纵-扭复合振动辅助相对于无振动、纵向振动和扭转振动方案，钻头受到的最大合力分别减小了36.45%，9.34%和32.84%，钻进速度分别提高了26.02%，4.27%和16.13%；最后对所提方案的钻进效果进行试验验证，得到添加纵-扭复合振动辅助后的钻头支架应变相对于只添加扭转振动辅助时减小了35.48%，钻进速度提高了31.25%.研究表明纵-扭复合振动辅助方法可以提高岩石钻削效率.

关键词: 岩石钻削, 振动辅助, 复合振动, 离散元法, 钻削效率

Abstract:

In response to the limitations posed by singular longitudinal or torsional vibration‐assisted rock drilling， a combined longitudinal‐torsional vibration‐assisted rock drilling scheme was proposed. Firstly， the theoretical model of the scheme is analyzed. Then， DEM （discrete element method ） simulations using EDEM （event driven execution manager） software are conducted to simulate the drilling mechanism and effects on rocks under various conditions. Results indicate that the addition of combined longitudinal‐torsional vibration assistance decreases the maximum resultant force on the drill bit by 36.45%， 9.34% and 32.84%， respectively， compared to zero vibration， longitudinal vibration， and torsional vibration schemes. Moreover， drilling speeds increase by 26.02%， 4.27% and 16.13%， respectively. Finally， experimental validation of the proposed scheme’s drilling performance reveals a 35.48% reduction in the drill head’s support strain and a 31.25% increase in the drilling speed when compared to solely adding torsional vibration assistance. It is demonstrated that the combined longitudinal‐torsional vibration‐assisted method can significantly enhance the efficiency of rock drilling.

Key words: rock drilling, vibration assistance, combined vibration, DEM（discrete element method）, drilling efficiency

中图分类号:

TD 823

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图/表 30

图1 复合振动辅助岩石钻削示意图

Fig.1 Schematic diagram of combined vibration‐assisted rock drilling

图2 复合振动辅助岩石钻削系统理论模型

Fig.2 Theoretical model of the combined vibration‐assisted rock drilling system

图3 岩石试样离散元模型

Fig.3 Discrete element model of rock specimens

表1 物理参数设置

Table 1 Physical parameter settings

试验材料	密度/（kg·m^-3）	泊松比	弹性模量/GPa
软岩	2 483	0.204	17.7
硬质合金	14 800	0.24	510

表2 接触参数设置

Table 2 Contact parameter settings

材料	恢复系数	静摩擦系数	动摩擦系数
软岩和软岩	0.20	0.70	0.10
软岩和硬质合金	0.50	0.60	0.07

图4 接触键的分布

Fig.4 Contact bond distribution

图5 接触表面黏结模型

Fig.5 Contact surface adhesion model

表3 黏结键参数设置

Table 3 Adhesive bond parameter settings

法向刚度	切向刚度	法向强度	切向强度	黏结半径
N·m^-3	N·m^-3	Pa	Pa	mm
1.15×10⁹	4.6×10⁸	5×10⁷	2×10⁷	1.5

图6 黏结键的分布

Fig.6 Adhesive bond distribution

表4 4种钻削情况的参数

Table 4 Parameters for the four drilling cases

钻削情况	钻头直径	转速	压力	频率	转矩
钻削情况	mm	r·min^-1	N	Hz	N·m
常规	16	3 300	50	0	0
纵	16	3 300	50	100	0
扭	16	3 300	50	0	140
纵-扭	16	3 300	50	100	140

图7 钻进时岩石试样所受的应力

Fig.7 Stress on rock specimens during drilling

图8 岩石内部应力强弱分布（a）—0；（b）—T/5；（c）—2T/5；（d）—3T/5；（e）—4T/5；（f）—T.

Fig.8 Stress intensity distribution inside the rock

图9 黏结键的断裂

Fig.9 Breakage of adhesive bonds

图10 4种情况下钻头受力对比

Fig.10 Comparison of force on the drill bit in four cases

图11 4种情况下的钻进时间对比

Fig.11 Comparison of drilling time in four cases

图12 复合振动辅助岩石钻削试验平台模型

Fig.12 Platform model of combined vibration‐assisted rock drilling test

图13 悬臂结构的安装

Fig.13 Installation of the cantilever structure

图14 激振器的激励位置

Fig.14 Excitation position of the shaker

图15 冲击起子的固定结构

Fig.15 Fixed structure of the impact driver

图16 未加激励时的加速度曲线

Fig.16 Acceleration curve without excitation

图17 47.71 Hz激励时加速度曲线

Fig.17 Acceleration curve at 47.71 Hz excitation

图18 82.44 Hz激励时加速度曲线

Fig.18 Acceleration curve at 82.44 Hz excitation

图19 111.22 Hz激励时加速度曲线

Fig.19 Acceleration curve at 111.22 Hz excitation

图20 未加激励时的应变曲线

Fig.20 Strain curve without excitation

图21 47.71 Hz激励时应变曲线

Fig.21 Strain curve at 47.71 Hz excitation

图22 82.44 Hz激励时应变曲线

Fig.22 Strain curve at 82.44 Hz excitation

图23 111.22 Hz激励时应变曲线

Fig.23 Strain curve at 111.22 Hz excitation

图24 不同激励下钻头的钻进距离

Fig.24 Drilling distance of the drill bit under different excitations

表5 振动破岩试验参数

Table 5 Vibratory rock‐breaking test parameters

序号	转速/（r·min^-1）	激振频率/Hz	钻头直径/mm
1	1 200	47.71	3
2	1 200	82.44	5
3	1 200	111.22	8
4	2 500	47.71	5
5	2 500	82.44	8
6	2 500	111.22	3
7	3 300	47.71	8
8	3 300	82.44	3
9	3 300	111.22	5

表6 极差分析

Table 6 Analysis of extreme differences

序号	转速	激振频率	钻头直径	加速度振幅	应变差
序号	r·min^-1	Hz	mm	m·s^-2	应变差
1	1 200	47.71	3	7	58
2	1 200	82.44	5	10	54
3	1 200	111.22	8	22	49
4	2 500	47.71	5	8	65
5	2 500	82.44	8	18	55
6	2 500	111.22	3	25	45
7	3 300	47.71	8	8	57
8	3 300	82.44	3	20	54
9	3 300	111.22	5	35	40
极差1	8	19.66	2
极差2	4.67	15.33	1.34
主次顺序	激振频率>转速>钻头直径
最优水平	3 300	111.22	5
最优组合	转速3 300 r·min^-1，激振频率111.22 Hz，钻头直径5 mm

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