基于ABAQUS的鑿巖機鉆頭破巖數值模擬分析

張 強, 索江偉, 王海艦, 孫國慶, 孫赫威

(1.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116023； 3.四川理工學院 材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川 自貢 643000)

在對隧道開挖和巖體巷道掘進的工程項目中，巖層鉆孔作業的需求量很大，而鉆孔速度以及鉆孔效率高低，對整個工程影響非常大。液壓鑿巖機作為鉆孔破巖的主要工作設備，因其能量利用率高，破巖速度快等優點，在鉆孔作業中的應用越來越廣泛[1]。伴隨著鉆孔破巖工程量需求的不斷加大，對于鉆機在更大鉆孔深度、更高巖體硬度和深埋巖層的破巖要求也越來越高。近年來，針對鉆孔破巖研究，李俊偉等[2]研究了液壓鑿巖機鉆頭與巖體的單次旋轉沖擊破巖有限元仿真模擬，分析了不同初始沖擊能和不同回轉速度下鉆進深度和鑿巖反力的影響。李瑋等[3]基于振動學理論，在考慮巖石重力的情況下，建立鉆頭沖擊載荷下巖石振動響應的數學模型，分析各參數對鉆頭高頻沖擊下巖石振動的影響,并進行了室內實驗對理論分析結果進行了驗證。董學成等[4]對震蕩沖擊器作用下井底破巖的數值模擬，分析了不同工作頻率、不同循環動載和不同巖體類型下的破巖機理。何霞等[5]建立空氣錘鉆頭與巖石的破巖仿真模型，對鉆頭破巖過程進行了仿真分析，得到了空氣錘鉆頭的破巖機理。卜長根等[6]對潛孔錘瞬態沖擊鑿巖過程進行數值模擬，研究了球齒鉆頭在鑿入不同空隙率巖石中的沖擊力特性。黃志強等[7]建立鉆頭與巖石的仿真模型，將鉆頭定義為線彈性模型，巖石定義為塑性應變失效模型，對鉆頭在單次沖擊下的巖石破碎機理進行了動力學仿真研究。祝效華等[8]以Drucker-Prager準則作為巖石的本構關系，建立了PDC切削齒動態破巖的三維仿真模型，分析了后傾角側傾角切削深度圍壓等因素對破巖能效的影響。祝效華等[9]利用LS-DYNA建立空氣沖旋鉆井活塞-鉆頭-巖石相互作用系統模型，研究PGP-X井鉆井參量及空氣錘結構參量與沖擊功及破巖比功的關系，對沖擊末速度、鉆壓、沖擊頻率、轉速、井深等破巖能效的影響進行了分析。舒敏飛等[10]提出了基于液壓油液受壓縮建立液壓鑿巖機工作壓力的理論，建立Amesim仿真平臺進行了仿真和分析，驗證了理論的合理性，并揭示了沖擊性能、工作壓力與輸入流量、活塞質量、活塞油壓作用面積、蓄能器充氣壓力之間的關系。Bu等[11]則是通過ANSYS 軟件里的LS-DYNA模塊對潛孔錘、鉆頭、巖石這幾者之間相互作用的瞬態沖擊動力學有關問題進行了研究。

目前針對液壓鑿巖機破巖方面的研究還存在需要完善之處：首先，對液壓鑿巖機鉆頭在回轉-沖擊載荷下的巖體連續破碎過程的數值模擬分析還有待進一步研究；其次，沒有考慮不同初始地應力情況下對液壓鑿巖機破巖的影響。為進一步改善液壓鑿巖機破巖效果和工作性能，筆者利用大型有限元分析軟件ABAQUS對液壓鑿巖機鉆頭的連續破巖過程進行了數值模擬，研究不同工況對破巖效果的影響。

1 建立數值模型

1.1 模型假設

液壓鑿巖機主要是依靠沖擊活塞撞擊釬尾，將沖擊能以應力波的形式通過釬桿傳遞給釬頭，由釬頭沖擊鑿巖，活塞回程時帶動釬子回轉一定角度，如此反復的沖擊回轉作用將巖體破碎，破碎的巖粉由排粉機構不斷從孔底排出孔外。為了更好的分析鉆頭破巖過程，在不影響巖體受力情況下對模型作如下假設：

① 將釬頭、連接套和釬桿當作是一個整體的剛體來看待，只考慮鉆頭沖擊鑿巖過程中鉆進系統在沿著軸向方向上的整體受力狀況[12]，在整個破巖過程中不考慮其變形和磨損；② 將沖擊活塞撞擊釬尾的沖擊能簡化為一個等效沖擊力直接作用于模型末端；③ 對巖體視為連續的、均勻的、各向同性的介質]，不考慮巖體中的原生裂紋及巖體內部孔隙壓力影響；④ 假設破碎后的巖屑能夠迅速離開鉆孔，即破碎失效的巖體單元即刻被刪除。

1.2 網格劃分

通過Pro/Engineer建立鉆頭直徑為89 mm的簡化后釬頭、連接套和釬桿整體物理模型，再導入有限元分析軟件中；在ABAQUS中直接建立尺寸為350 mm×350 mm×200 mm的巖體模型。對鉆頭整體部分采用10節點四面體單元(C3D10M)自由網格劃分，網格節點總數為9 290；巖體部分采用8節點縮減積分單元(C3D8R)掃掠網格劃分技術，中軸算法，將巖體劃分成中心密集周圍疏松的網格單元，這樣既節省計算時間又保證計算精度，節點總數為377 076。網格劃分情況,如圖1所示。

圖1 鉆頭和巖體的網格劃分模型

1.3 材料參數設置

巖體本構模型采用Drucker-Prager模型，即線彈性模型和擴展Drucker-Prager破壞準則聯合使用的一種理想彈塑性模型，這種模型被廣泛應用于巖土力學數值計算分析中[13-14]。在這里認為沖擊部分的質量慣量全部集中于簡化后的鉆頭模型上，所以鉆頭模型密度在這里采用等效密度。材料基本參數設置,如表1所示[15]。

表1 模型所用材料基本參數

1.4 邊界條件、載荷、接觸及分析步設置

巖體的邊界條件，將初始地應力設置為：垂直應力設為10 MPa，地應力側壓系數設為1，除與鉆頭接觸的巖石邊界外，其余五個邊界面定義為無限無反射邊界條件以模擬無限區域的情況[16]。筆者以COP1838ME/HE型號掘進鑿巖臺車用液壓鑿巖機性能參數為主要依據來設定對沖擊鉆頭的載荷和邊界條件。固定鉆頭在X，Y方向的位移和轉動約束，保證鉆頭在鉆進過程中只進行沿Z軸移動及繞Z軸轉動；通常軸推力大小為15～20 kN，在這里選取20 kN，回轉速度設為300 r/min，沖擊頻率設為60 Hz。

通常情況下，液壓鑿巖機沖擊機構的活塞沖擊停頓時間為：0.5～0.6 ms[17]，在這里認為活塞撞擊釬尾后速度變為零，根據動能定理和動量定理可得等效沖擊力。

(1)

式中:E為沖擊能，J；m為活塞重量，kg，這里取10 kg，v為活塞沖擊末速度，m/s；t為活塞沖擊釬尾停頓時間，ms，在這里取0.5 ms；F為等效沖擊力，kN。

設置沖擊能為300 J，將沖擊能等效成一個瞬時沖擊力載荷施加于鉆頭上，由式(1)計算可得沖擊力大小為155 kN。邊界情況和載荷模型,如圖2所示。

模型中，鉆頭與巖體間接觸采用ABAQUS explicit中面-面接觸類型，鉆頭表面為主面，巖體表面為從面，采用有限滑動公式，法向屬性選用硬接觸。定義兩個分析步，第一個分析步對鉆頭施加200 N的軸向推力，使鉆頭與巖體表面平穩接觸，第二個分析步施加上所有載荷，分析時間控制為0.5 s。

2 數值仿真結果分析

圖3為分析破巖仿真結果的應力云圖，由圖3可知，鉆頭在回轉-沖擊載荷作用下確實對巖體造成了破碎，且形成了比較規則的破碎孔。

鉆頭破巖過程速度和深度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，在開始破碎階段，鉆頭的第一排齒最先跟巖體接觸，且在外載荷作用下逐漸侵入巖體內部，在作用到0.15 s左右時，整個鉆頭部分與巖體發生撞擊，鉆頭速度急劇下降，但在軸推力作用下，鉆頭與巖體接觸部分基本沒有發生分離，之后鉆頭速度逐漸增大繼續破巖。

圖3 破巖仿真結果應力云圖

圖4 破巖過程速度和深度變化曲線

圖5為破巖過程能量消耗變化曲線。根據圖5可知，隨著破碎時間的積累，能量消耗也在不斷升高。整個破巖過程基本吻合實際中液壓鑿巖機鉆孔過程，且數值模擬的鉆進速度也符合實際鉆進速度范圍，所以筆者認為運用ABAQUS軟件對鑿巖機鉆頭破巖過程的數值模擬結果可以為實際工程中提供必要的理論參考。

圖5 破巖過程能量消耗變化曲線

3 不同工況下破巖過程的影響分析

在液壓鑿巖機實際作業中，沖擊頻率和回轉速度是影響破巖效果的重要性能參數，選取合適的性能參數對整個破巖過程至關重要。破巖速度是表示破巖快慢的物理量；破巖比能是指破碎單位體積巖石所消耗的能量，是破碎效率高低的重要標志。在ABAQUS explicit分析模塊中可以直接提取整個分析過程中外載荷做功的能量變化曲線，而破碎體積即模擬過程中失效的單元部分。

對不同工況下，模擬結果進行比較：取沖擊頻率為60 Hz，回轉速度為200 r/min、250 r/min和300 r/min三組破碎坑應力云圖，在破碎坑邊界的上、下、左、右四個方向分別選取1 784、2 269、876、3 000四個網格節點，通過節點在破碎坑邊界分布情況，如圖6所示，可知每組破碎坑的橫截面積幾乎保持不變，所以在此認為，模擬破碎過程中，鉆頭侵入相同深度巖體時對巖體的破碎體積基本一致，又因為巖體的破碎體積不便于計算，在這里以破碎單位深度所消耗的能量代替破巖比能，用單位深度消耗能量和破巖速度綜合分析對破巖效果的影響。

(a) 200 r/min

(b) 250 r/min

(c) 300 r/min

3.1 回轉速度對破巖的影響

在工程實際中，液壓鑿巖機回轉速度大小基本上在200～400 r/min的范圍內變化。所以，為分析回轉速度對破巖過程的影響，在保證其它參數不變條件下，分別又對200 r/min、250 r/min、350 r/min、400 r/min四種回轉速度工況進行模擬分析，將結果數據經過MATLAB擬合后，得到單位深度消耗能量-回轉速度-破巖速度關系曲線和不同回轉速度下破巖模擬結果的應力云圖，分別如圖7和圖8所示。

圖7 單位深度消耗能量-回轉速度-破巖速度關系曲線

Fig.7 The energy consumption of per unit depth-rotary speed-rock breaking speed curve

通過分析不同回轉速度情況下對破巖速度的影響，可以得到，隨著回轉速度增大破巖速度也隨之增大，但變化幅度逐漸減小，當速度達到300 r/min以后，破巖速度幾乎不再改變；所以，筆者認為在液壓鑿巖機破巖過程中，在一定范圍內回轉速度的改變對破巖速度有明顯影響，但當回轉速度達到某一值之后，再增加回轉速度對破巖速度的影響可以忽略。從能耗的角度分析，可知速度在 200～250 r/min階段，隨回轉速度增大能耗快速降低；250～300 r/min階段能耗緩慢降低，當速度超過300 r/min時，能耗開始升高；所以，可以知道破巖效率隨著回轉速度的增加表現為先升高后降低的變化趨勢。綜合考慮破巖速度和破巖效率對破巖效果的影響，筆者認為在針對本文所設定巖石參數的情況下，回轉速度在300 r/min左右時，具有高破巖速度和低能耗的特點，此時破巖效果最好。

3.2 沖擊頻率對破巖的影響

在實際作業中，液壓鑿巖機工作的沖擊頻率基本上在30～100 Hz的范圍內設定。為了分析沖擊頻率對破巖過程的影響，在保證其它參數不變的條件下，對40 Hz、50 Hz、70 Hz、80 Hz四種沖擊頻率情況進行模擬分析，將結果數據經過MATLAB擬合后，得到單位深度消耗能量-沖擊頻率-破巖速度關系曲線，如圖9所示。

通過分析關系曲線，可知隨著沖擊頻率增加破巖速度明顯增大；在40～60 Hz的范圍內，隨著沖擊頻率的增加，單位深度消耗能量快速降低，60～70 Hz階段能耗緩慢降低，70～80 Hz階段能耗開始升高；所以，筆者認為沖擊頻率為70 Hz左右時，破巖效果最好。

(a) 200 r/min

(b) 250 r/min

(c) 350 r/min

(d) 400 r/min

圖9 單位深度消耗能量-沖擊頻率-破巖速度關系曲線

Fig.9 The energy consumption of per unit depth-impact frequency-rock breaking speed curve

3.3 初始地應力對破巖的影響

為了分析巖石在不同初始地應力[18]情況下對破巖的影響，在不改變其他參數條件下，對無初始地應力和垂直應力分別為22 MPa、34 MPa、46 MPa四種工況下破巖情況進行數值模擬，將結果數據經過MATLAB擬合后，得到單位深度消耗能量-初始地應力-破巖速度關系曲線，如圖10所示。

分析不同的初始地應力下對破巖的影響，可知初始地應力較小時破巖速度變化很小，隨著地應力的增大，破巖速度緩慢降低。從能耗角度分析可知，初始地應力在0～10 MPa的范圍內時，破巖能耗幾乎不變，而當初始地應力增大到10 MPa后破巖能耗迅速增加。

圖10 單位深度消耗能量-初始地應力-破巖速度關系曲線

Fig.10 The energy consumption of per unit depth-initial crustal stress-rock breaking speed curve

分析原因可知，因為巖石在高地應力情況下發生一定應變強化特性，對巖石破碎帶來更大的難度。

所以，這就要求在實際破巖過程中，當初始地應力較小時，可以保持液壓鑿巖機最優的工作參數不變，但當破碎深埋巖層地應力較大時，應該相應的改變工作參數，以便具有最好的破巖效果。

4 結 論

本文以花崗巖為研究對象，屬于硬質巖石，巖石硬度系數：f=11～15(普氏硬度系數)，對不同回轉速度和沖擊頻率的研究是以巖石受10 MPa圍壓條件下進行的，根據本文所研究的巖石工況條件可得到以下結論：

(1) 液壓鑿巖機的回轉速度在250～300 r/min范圍內變化時對破巖速度具有明顯影響，但當達到300 r/min后，回轉速度對破巖速度的影響基本可以忽略，且針對花崗巖的破巖過程，回轉速度在300 r/min左右時，同時具有破巖速度快和破巖能耗低的特點，破巖效果最好。

(2) 破巖速度隨著沖擊頻率的增加而不斷增加，綜合考慮對破巖能耗的影響，當沖擊頻率為70 Hz時，破巖效果最好。

(3) 初始地應力在0～10 MPa的范圍內時，對破巖過程影響很小，在大于10 MPa后，隨著初始地應力的改變，對破巖速度影響很小，但對破巖效率有很大影響。

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