三翼鉆頭鉆齒優化仿真與實驗研究

馮利華，張洪軍，陳佳蕊，周翠紅

（1.中鐵一局集團第二工程有限公司，河北唐山063000；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

在鉆孔灌注樁施工過程中，反循環鉆機鉆頭的耐久性直接影響著鉆進效率與施工成本。鉆頭力學特性研究核心內容是鉆齒的靜力學和鉆進動力學的研究與應用[1-2]。國內外專家學者對于上述內容展開了大量的理論研究，采用有限元分析方法對鉆頭單齒進行力學分析[3-4]，并且建立了鉆頭破巖模型以研究鉆頭的結構參數對破巖情況的影響以及鉆頭力學特性的分析[5-7]。通過數值模擬的方法對不同結構的鉆頭進行了結構優化[8，-9]。根據改變鉆頭影響因素探究其對于鉆進過程的影響，為鉆頭結構參數的優化設計及鉆進參數的選擇提供了依據[10]。

等比例縮小實際工程中使用的反循環，采用3D打印技術加工鉆頭模型，結合仿真結果對鉆頭模型進行鉆齒力學特性實驗研究，探究加載同等力下不同模型的應變大小及分布情況，從而得出最優鉆齒耐用模型。對優化鉆齒結構參數、降低施工成本具有一定指導意義。

1 鉆機現場應用情況

以某地鐵暗挖洞樁法施工車站反循環鉆機樁基成孔為研究背景，該站主要穿越的地層為粘土層和卵石層。如圖1所示，反循環鉆機三翼頭在鉆進到大卵石地層時易出現鉆桿堵塞及鉆齒的磨損情況，需要及時調整鉆機的工作參數與地層相適應。為提高反循環鉆機三翼鉆頭鉆齒的耐用性、減少鉆齒的磨損情況，有必要對三翼鉆頭的鉆齒進行優化。

圖1 鉆機堵桿、鉆機卡鉆、鉆尖磨損

2 單齒彈性應變模擬

對不同參數的鉆頭模型進行模擬，以研究鉆頭模型在加載同等大小載荷時鉆齒所能承受的彈性應變強度。三種鉆頭模型參數如表1所示，為實驗中鉆頭的加工與荷載加載提供依據。對模型1、模型2和模型3鉆尖處分別施加300～1200N荷載，進行靜態單齒模擬受力模擬研究。模型1、模型2與模型3單齒模型的彈性應變強度分布情況如圖2所示。

表1 鉆頭模型參數

圖2 鉆頭彈性應變強度

表2所示為三種模型平均彈性塑性應變強度，發現加載不同力下的單齒模型所受的彈性應變強度隨著加載力增大而逐漸增長。加載300～1200N載荷過程中，模型2的彈性塑形應變強度遠小于模型1與模型3，表明模型2的單齒模型結構有較好承受載荷的能力。

3 實驗設備及方案

表2 彈性應變強度

依靠3D打印設備MakerBot Replicator對鉆頭模型結構進行結構驗證、修正結構參數，在保障金屬鉆頭模型結構合理性的同時極大地減少模型加工成本，打印過程如圖3所示。

HK21B殘余應力檢測儀用于測量靜力強度及材料變形的應力分析研究。為探究鉆頭單齒在外力作用下的力學特性，采用HK21B殘余應力檢測儀對金屬鉆頭模型產生的微應變大小進行分析。

使用WDW電子萬能試驗機的壓縮輔具完成試件的壓縮試驗。通過驅動中橫梁，帶動壓縮輔具上半部分縱向移動實現力的加載與卸載輔助完成力學實驗。

根據模擬結果，確定了影響應變的主要參數為鉆尖角度、鉆齒護臂夾角、直徑。對預先設計的單齒鉆頭模型進行打印，修改鉆頭模型參數及結構設計不合理處。在外制作金屬鉆頭模型，每種參數模型分別制作3個(共9個)，以降低金屬鉆頭模型在加工時造成的不可避免的人工誤差。

圖3 MakerBot Replicator

打印的3D鉆齒模型及加工的金屬鉆頭模型如圖4所示。在進行預加載實驗之前還需對鉆頭進行表面清洗、涂膠粘貼應變片、導線焊接等預處理操作。同一模型進行3次實驗取平均數值，共27組實驗，總計108個數據。

圖5為壓縮輔具對鉆頭模型加載力過程。先加載0～300N的荷載，保載300N的荷載15s，記錄檢測儀的讀數；接著分別加載0～600N、0～900N、0～1200N的荷載保載15s，記錄檢測儀數值。每個模型重復上述實驗過程記錄檢測儀讀數，得到鉆頭受力后的應變值，每個模型重復3次實驗，以保證實驗結果。模型3-鉆頭3在實驗中折斷，有效實驗次數共計為96次。

圖4 3D打印鉆齒模型及加工鉆齒

圖5 加載力過程

4 實驗過程分析

對模型1(45°-45°-13mm)制作的3個鉆頭模型，根據模擬結果分別加載300N、600N、900N和1200N的荷載，讀取檢測儀讀數，每個鉆頭模型重復3次實驗。模型1-鉆頭1平均微應變分別為：12.94、23.17、33.65、47.52。模型1-鉆頭2微應變分別為：12.46、24.42、39.77、49.04。模型1-鉆頭3微應變分別為：10.98、18.04、28.75、40.79。鉆頭3所受的微應變有少許偏差，分析可能為在制作鉆頭3時存在少許人工誤差。

對模型2(60°-67.5°-12mm)制作的3個鉆頭模型重復上述實驗，模型2-鉆頭1平均微應變分別為：7.79、15.88、20.75、28.31。模型2-鉆頭2微應變分別為：8.52、17.33、27.56、36.83。模型2-鉆頭3微應變分別為：9.77、18.81、28.81、38.10。鉆頭1微應變增長趨勢相比鉆頭2、3較慢，分析為制作鉆頭1存在一定差異。

對模型 3(45°-90°-11mm)制作的 3 個鉆頭重復上述實驗，模型3-鉆頭1平均微應變分別為：14.40、27.31、40.89、54.17。模型3-鉆頭2微應變分別為：15.15、31.25、46.40、61.73。其中模型3-鉆頭3在實驗過程中損壞。

三種鉆頭模型所受平均微應變如表3所示。加載同等大小荷載，鉆頭模型2(60°-67.5°-12mm)受力變形后產生的平均微應變最小，說明該鉆頭模型比其他兩種模型結構所受的形變更小，能有效減少鉆頭的變形情況，更適用于在砂卵石地層進行鉆進，具有鉆進效率高、堅固耐用等特點。選擇合理的鉆頭結構，確定適宜的鉆進速度，可以有效地提升鉆齒破碎卵石的效果，減少鉆進過程磨損，提高施工效率。

表3 三種鉆頭在加載不同荷載下的平均微應變

5 結論

在單齒模擬的研究基礎上，設計并制作了3種縮小五倍的3D打印鉆齒模型并加工，探究加載同等力下不同模型的應變大小及分布情況，得出以下結論：

（1）三翼鉆頭單齒試樣在不同大小穩定載荷作用下，微應變變化情況較為顯著。在單齒試樣所能承受的范圍內，鉆齒所受微應變與設備的加載力呈正相關。

（2）在3D打印設備支持下可以直觀看到加工模型的外觀，及時修正不合理的參數，對金屬鉆頭模型的加工制造起到一定的指導作用，降低加工成本。

（3）模型2的單齒模型結構有較好承受載荷的能力，最優鉆齒耐用模型：鉆角為60°、鉆齒與護臂夾角為67.5°、鉆齒直徑為12mm。在同等荷載作用下應變更小，能有效減少鉆頭的變形情況、更適用于在砂卵石地層進行鉆進。