沖擊旋轉加載下金剛石鉆頭-巖面動摩擦特性試驗模擬研究

沖擊旋轉加載下金剛石鉆頭-巖面動摩擦特性試驗模擬研究

李季陽1，2，譚卓英1,2，李文1，岳鵬君1

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083； 2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點試驗室，北京100083)

摘要：為研究旋轉式鉆進過程中金剛石鉆頭與巖石接觸界面動摩擦參量的變化規律，利用自主研發的鉆進模擬系統，通過應力波精確、可重復測量鉆頭與混凝土試樣間隨時間變化的關鍵參量，直接獲得軸壓力、摩擦力，計算出相對滑動速度、滑動位移及摩擦系數。結果表明，金剛石鉆頭與試樣間相對滑動速度、位移與旋轉加載速率相關性較大，隨其增加而增大；界面動摩擦系數隨沖擊速度增高而增大；在每次沖-旋加載過程中試驗所得動摩擦系數基本恒定，不受軸向沖擊加、卸載過程影響，穩定動摩擦力與應力波峰持續時長一致，且隨沖擊速度增加逐漸縮短，揭示出沖-旋加載作用下金剛石鉆頭與巖面之間動態摩擦特征。

關鍵詞：沖-旋加載；界面滑動；試驗模擬；動摩擦

中圖分類號:O313.5文獻標志碼：A

Experimental simulation of dynamic friction characteristics of interface between diamond drill and rock under impact-rotational loading

LIJi-yang1,2,TANZhuo-ying1,2,LIWen1,YUEPeng-jun1(1. Civil and Environmental Engineering School，University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Key Laboratory of Ministry of Education of China for Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Beijing 100083, China)

Abstract:In rotary drilling process, the estimation of dynamic friction characteristics between interfaces of drill bit and concrete samples is an important issue for studying the rock crushing mechanism. Based on a self-developed drilling simulation system, the key parameters of friction were measured accurately and repeatedly by making use of stress waves. The axial pressure and friction force were obtained directly, and the relative sliding speed, sliding displacement as well as friction coefficient were further calculated. The results show that the relative sliding speed and sliding displacement between diamond drill and rock interfaces are highly related to the rotary loading rate. They will increase with the increase of rotational speed. The interfacial dynamic friction coefficient will increase with the rise of impact velocity. In each impact-rotation loading process, the experimental dynamic friction coefficient keeps almost constant and is not affected by the loading-unloading process of axial impact, the duration of stable dynamic friction is nearly equal to that of stress wave peak, and is gradually shortened with the increase of impact velocity, which reveals the characteristics of dynamic friction between drill bit and rock under impact-rotation loading.

Key words:impact-rotation loading; interface sliding; experimental simulation; dynamic friction

鉆頭與巖石接觸界面的動態摩擦特性作為巖石破碎機理研究的重要內容，旋轉式鉆進過程中，巖石破壞形成、發展均與鉆頭、巖石的摩擦滑動緊密聯系，摩擦滑動中伴隨巖石強度降低至破碎[1]及能量釋放等復雜過程，摩擦具有非常復雜的表面物理化學現象[2-3]。因此，研究鉆頭與巖石間的沖擊摩擦及滑動性能尤其重要。

關于巖石及與其它物體間的摩擦性能研究大多集中于準靜態、低速摩擦[4]。Gerde等[5-6]分別研究巖石、節理帶、復合材料等的摩擦特性，對象為兩物體簡單表面摩擦，應力狀態單一。而鉆頭鉆進為復雜的動態作用過程，動態摩擦研究尤其重要。Toro等[7-8]通過較大位移的滑動摩擦研究板塊運動過程相互間摩擦性能。Marone[9]用直接剪切方法研究輝長巖摩擦系數、滑動面粗糙度、摩擦距離及速度-狀態依賴性本構參數(a-b)等摩擦滑動性質。Schneider[10]采用直接剪切方法研究巖石的摩擦滑動與時間之關系。Byerlee[11]在高正應力條件下采用三軸方法研究花崗巖的動、靜摩擦系數，Espinosa等[12-13]利用改進的霍普金森扭桿裝置測試獲得金屬等材料間的摩擦系數。林玉亮[14]利用自制的分離式霍普金森壓剪裝置測試沖擊加載下硅橡膠、硬質聚氨酯泡沫塑料盒MDF水泥材料與鋁合金間動摩擦系數。

本文通過鉆進模擬系統，采用新的測試技術在高應變率旋轉沖擊作用下研究金剛石鉆頭與混凝土試件在碰撞接觸初期的動態摩擦性能，分析不同沖擊工況下滑動過程中關鍵摩擦參量的變化規律，以期為深入研究巖石的破碎機理奠定基礎。

1試驗研究

1.1試驗方法與原理

鉆進模擬系統包括高精度試驗平臺、試驗桿系統、發射系統、旋轉系統、測試系統、數據采集系統和數據分析系統，系統結構組成如圖1所示。

圖1　鉆進模擬系統裝置示意圖 Fig.1 Drilling simulation system schematic diagram

鉆進模擬系統采用帶金剛石鉆頭的試驗桿撞擊高速旋轉試樣模擬鉆頭鉆進過程。該系統試驗平臺見圖2，圖中高精度水平支撐平臺用于安裝發射系統及入射桿。加載部位近觀圖見圖3。

圖2 裝置實物圖Fig.2Physicalmapequipment圖3 加載部位近觀圖Fig.3Close-upviewoftheloadingpart

試驗基本原理為：基于分離式霍普金森桿一維應力波傳播規律[15-17]，通過試驗桿表面應變片信號計算鉆頭與巖面界面的摩擦力、正壓力及滑動位移。試驗裝置示意及波系見圖4。

圖4　試驗裝置示意圖及波系圖 Fig.4 The experimental apparatus and wave system diagram

試驗前鉆頭、巖樣預留一定縫隙d，試驗桿被撞擊后產生入射波，此時鉆頭與試樣未接觸，入射波在自由面反射形成拉伸波。入射波完全反射時預留縫隙剛好閉合。故預留縫隙大小即為撞擊桿撞擊結束時入射桿撞擊端位移。由于兩桿(一長一短)正碰產生的應力波幅值(桿中應力對應應力波波后質點速度)與桿長度無關，僅與撞擊速度及材料特性(聲阻抗)有關，應力波長度(時間及空間尺度)與短桿長度相關。因此，若長為L0的撞擊桿以速度V0撞擊長度為nL0的入射桿，入射桿中波后質點速度為v=V0/2，而入射波寬為τ=2L0/c0，則預留間隙為

d=vτ=L0V0/c0

(1)

反射波εr1在加載端反射形成二次沖擊加載εi2，到達鉆頭時鉆頭與試樣接觸，由于此時試樣處于高速旋轉狀態，撞擊的壓縮波反射形成壓縮波εr2及剪切波γ。

(1)拉壓應變值與示波器顯示電壓值關系式

設應變片靈敏系數為K1，應變儀放大系數為K2，按對臂工作電橋原理，得拉壓應變值ε(t)與輸出電壓ΔU1(t)的關系為

(2)

式中：U0為供橋電壓。

(2)剪切應變值與示波器顯示電壓值關系式

按全橋原理，可得剪應變值γ(t)與輸出電壓ΔU2(t)的關系為

(3)

(3)鉆進過程壓縮力為

Fn=E0A0(εi2+εr2)

(4)

式中：E0，A0為試驗桿彈性模量及截面積；εi2，εr2由試驗測定。

(4)桿表面所測剪切信號換算的桿扭矩為

(5)

剪切信號起跳點與壓縮信號起跳點不同，對桿中剪切波、壓縮波傳播速度(vs,vp)、鉆頭至測點(剪切、壓縮)距離(ss,sp)進行分析。剪切波到達測點時間為ts=ss/vs；壓縮波到達測點時間為tp=sp/vp。金屬桿壓縮模量211 GPa，剪切模量79 GPa，密度7.8×103kg/m3，得vp=5 201 m/s，vs=3 182 m/s。

為保證剪切、壓縮波同時傳到監測點，即保證ts=tp，試驗中應控制監測點位置。

1.2試驗方案

鉆進模擬系統利用改進的霍普金森(SHPB)沖擊系統進行加載，入射桿材料為高強鋼，直徑25 mm，桿長1 800 mm。為模擬鉆頭沖擊，將孕鑲金剛石鉆頭體末端與高強鋼套采用力學性能好、接頭致密的無縫焊接技術加工，入射桿沖擊試件端采用莫氏鉆夾頭通過鋼套與金剛石鉆頭連接，并在接觸面涂二硫化鉬潤滑脂改善端面接觸效果。金剛石鉆頭基體為高強鋼，鉆頭內徑25 mm，外徑33 mm。選長度200 mm圓柱形實心沖擊子彈，材料、直徑同入射桿，用波形整形技術改善加載脈沖，改變氣缸壓強P，用激光測速儀測量子彈速度V0，氣缸壓強P與速度V0關系曲線，見圖5。通過調節氣缸壓強將撞擊速度控制為8 m/s、10 m/s、14 m/s、16 m/s及20 m/s。通過旋轉系統將轉速設為32 r/min、66 r/min、155 r/min及315 r/min。本試驗僅用一種強度配比混凝土試樣、不同工況加載，每次加載采用新試樣，不循環。同種工況下用5個試樣，加載5次，取較穩定具有代表性的曲線進行分析研究。

圖5　氣缸壓強P與速度V 0關系曲線 Fig.5 Curve of pressureP and velocity V 0

1.3試驗混凝土試樣

據混凝土力學性能測試規范，按一定配比混合水泥、河砂、碎石、水等物料制成混凝土砂漿，物料配比為1∶1.72∶3.29∶0.45。靜載試件選標準混凝土試模(150×150×150)mm制備，混凝土試樣據所選圓柱形巖倉，自制試模尺寸為Φ99×99.5 mm。養護完成，用MTS試驗機對標準混凝土試塊進行抗壓強度測試，測得混凝土強度等級為C30。采用TMS-2型臺式磨石機加工試樣，使兩端表面平面度在0.05 mm以內。加工處理的部分試樣見圖6。

圖6　試驗用混凝土試樣 Fig.6 Concrete samples for experiments

2試驗結果與分析

2.1恒定旋轉速率下參量變化

試驗前檢測試樣的完整性，確定其完好、無裂縫及破壞。相同轉速(32 r/min)不同沖擊載荷下關鍵摩擦參量隨時間變化曲線見圖7。由圖7可知，各關鍵參量在加載、載荷維持及卸載階段變化特征較明顯。接觸開始時動摩擦力與正壓力同時產生，無明顯時間延遲及不正常變化，每次加載穩定動摩擦力與正壓力波峰持時長基本一致。滑動速度在一定時間段內急劇降低至幾乎恒定值。沖擊速度增大到16 m/s時，正壓力隨之增加并阻礙試驗區鉆頭與試樣間相對滑動，在試驗區產生靜摩擦。由圖7(c)看出，載荷維持階段滑動位移未變化，而鉆頭與混凝土試樣間的相對滑動速度幾乎為零。整個過程中，動、靜摩擦系數間相互轉化未間斷。正壓力卸載，摩擦力減小，鉆頭與試件分離。需指出的是，整個試驗測試過程中未檢測出壓力、速度任何顯著峰值，動摩擦系數處于相對穩定狀態。試驗統計結果見表1。

表1　恒定轉速不同沖擊速度下參量值

圖7　相同轉速(32 r/min)不同沖擊載荷下關鍵摩擦參量隨時間變化曲線 Fig.7 Analysis of the key friction parameters variation with time under different loading speeds and same rotation rate(32 r/min)

由表1看出，沖擊速度由8 m/s逐漸增加到20 m/s過程中，正壓力、動摩擦力及動摩擦系數增長較明顯，而穩定動摩擦力持時隨沖擊速度增加逐漸縮短，即沖擊速度越大鉆頭與試樣間有效作用時間越短。而相對滑動速度維持在0.035 m/s，在載荷維持階段降低并穩定到0.017 m/s，不隨沖擊速度增加發生明顯變化。滑動位移雖有所減少，但幅度不大，最終趨于穩定。

2.2恒定沖擊速度下參量變化

保持10 m/s沖擊速度不變，將轉速分別設為66 r/min、155 r/min、315 r/min，與32 r/min時滑動位移、摩擦系數及相對滑動速度進行對比。試驗結果見圖8。由圖8(a)看出，保持沖擊速度不變，分別以不同轉速加載時，動摩擦系數幾乎不受轉速影響。由圖8(b)、(c)看出，相對滑動速度及位移均隨轉速增大而增大，變化較明顯。

表2恒定沖擊速度、不同轉速下參量值

Tab.2 Parameter value under same loading speeds

and different rotation rate

N/(r·min-1)Fmax/kNfmax/kNv/(m·s-1)S/mmμ32119.3923.170.0172～0.0380.590.162～0.2366117.3224.950.032～0.0781.2110.163～0.236155121.5223.760.06～0.152.640.166～0.233315116.6423.920.126～0.2965.450.171～0.238

試驗統計結果見表2，在32～315 r/min轉速范圍內，正壓力、動摩擦力及動摩擦系數基本保持穩定。相對滑動速度從0.038 m/s增加到0.296 m/s，滑動位移從0.59 mm增加到5.45 mm，幅度較大。因此受轉速影響較顯著。

圖8　不同轉速下界面關鍵摩擦參量變化 Fig.8 Analysis of the key friction parameters variation with time under different rotation rate

3結論

(1)本文試驗系統裝置能直接獲得軸壓力及摩擦力，且無需巖樣中任何信息，可獲得相對滑動速度、位移及摩擦系數。

(2)鉆頭與試樣的相對滑動速度、位移與旋轉加載速率相關性較大，隨其增加而增大；對沖擊加載速度敏感性較低。

(3)在轉速32～315 r/min范圍內，界面動摩擦系數基本不隨其變化，僅隨沖擊速度增大而增加。單沖擊速度加載中，所得動摩擦系數基本保持恒定，不受軸向沖擊加、卸載過程影響。

(4)每次加載時穩定動摩擦力與應力波峰的持時一致，且隨沖擊速度增加逐漸縮短，揭示出沖擊-旋轉加載作用下鉆頭與巖面間動摩擦特征。

參考文獻

[1]郝鐵生,梁衛國,張傳達．地下水平鹽巖儲庫頂板交界層面滑移破損與強度破壞特性分析[J]．巖石力學與工程學報,2014(增刊2):3956-3966.

HAO Tie-sheng, LIANG Wei-guo, ZHANG Chuan-da. Analysis of slippage and fracture characteristic on roof interface of underground horizontal salt cavrns[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014(Sup2): 3956-3966.

[2]黃平,溫詩鑄．摩擦學原理[M]．北京：清華大學出版社，2002.

[3]韓文梅．巖石摩擦滑動特性及其影響因素分析[D]．太原：太原理工大學,2012.

[4]徐松林,鄭文,劉永貴,等．沖擊下花崗巖界面動態摩擦特性試驗研究[J]．高壓物理學報,2011(3):207-212.

XU Song-lin, ZHENG Wen, LIU Yong-gui, et al. Experimental investigation on interface dynamic friction of granite under combined pressure and shear impact loading [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2011(3): 207-212.

[5]Gerde E, Marder M. Friction and fracture[J]. Nature, 2001, 413:285-288.

[6]Maeda N, Chen N H, Tirrel M, et al. Adhesion and friction mechanisms of polymer-on-polymer surfaces[J]. Science, 2002, 297:379-382.

[7]Toro G D, Goldsky D L, Tullis T E. Friction falls towards zero in quartz rock as slip velocity approaches seismic rates[J]. Nature, 2004, 427:436-439.

[8]Sone H, Shimamoto T, Frictional resistance of faults during accelerating and decelerating earthquake slip[J]. Natural Geosciences, 2009, 2:705-708.

[9]Marone C, Cox S J D. Scaling of rock friction constitutive parameters:The effects of surface roughness and cumulative offset on friction of gabbro[J]. Pure and Applied Geophysics, 1994, 143(1):359-385.

[10]Schneider H. The time dependence of friction of rock joints[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment,1977, 16(1):235-239.

[11]ByerleeJ D. Static and kinetic friction of granite at highnormal stress[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, 1970, 7(6):577-582.

[12]Espinosa H D, Patanella A, Fischer M. A novel dynamic frictionexperiment using a modified Kolsky bar apparatus[J]. Experimental Mechanics, 2000, 40(2):138-153.

[13]Rajagopalan S, Prakash V. A modified torsional kolsky bar for investigating dynamic friction[J]. Experimental Mechanics, 1999, 39(4):295-303.

[14]林玉亮,盧芳云,崔云霄．沖擊加載條件下材料之間摩擦系數的確定[J]．摩擦學學報,2007,27(1):64-67.

LIN Yu-liang, LU Fang-yun, CUI Yun-xiao. Testing of friction coefficients of material loaded by shock wave[J]. Tribology,2007,27(1):64-67.

[15]胡時勝,王禮立．一種用于材料高應變率試驗的裝置[J]．振動與沖擊,1986,5(1):40-47.

HU Shi-sheng, WANG Li-li. An apparatus for materialstesting at high strain rates[J]. Journal of Vibration and Shock, 1986, 5(1):40-47.

[16]盧芳云，陳榮，林玉亮，等．霍普金森桿試驗技術[M]．北京：科學出版社,2013.

[17]宮鳳強,李夕兵,劉希靈．三軸SHPB加載下砂巖力學特性及破壞模式試驗研究[J]．振動與沖擊,2012,31(8)：29-32.

GONG Feng-qiang, LI Xi-bing, LIU Xi-ling. Tests for sandstone mechnical properties and failure model under triaxial SHPB loading[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012,31(8):29-32.