仿生冲击挤密钻头的研究_孙荣军.pdf

第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Techonogy and Engieering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Construction Engineering College of Jilin University, Changchun 130026, China Abstract Bionic percussion-compact bits based on the theory of bionic nonsmooth was designed in order to improve the percussion-compact bits penetration rate and reduce the loss of impact. Through the numerical simulation analysis, the ground stress characteristics were revealed, then the bits were produced and used to do the field experiments. Biological dung beetle wastaken as bionic prototype, and regularly nonsmooth morphology shape was decorated on the percus- sion-compact bits’surface, and then the related tests were conducted. The results are that of single impact penetration bi- onic percussion-compact bits increased by about 45 compared with the conventional percussion-compact bits, and the impact energy needed for unit footage fell by 47. the impact compaction borehole drilling cycle can be greatly short- ened, and the cost of drilling is reduced and social and economic benefit are remarkable. Keywords percussion-compact bits; bionic; non-smooth; optimize; test 目前非开挖技术已经在社会经济发展中被广泛 应用，无论公路、铁路、建筑工程等，更换地下设 施、在特定的环境下铺设管线等都要用到非开挖技 术。而冲击挤密钻进方法是非开挖工程的主要手段 之一。冲击挤密钻进主要是利用潜孔锤冲击所产生 的冲击力使钻头切入和破碎土层，并将土向周边挤 压。由于该技术具有冲击能大、能量利用率高、成 孔质量好、纯钻时间长和钻进效率高等优点，在土 质地层钻进中逐渐受到重视，其应用领域也在不断 拓宽。其中如何使冲击挤密钻头具有防粘和减阻等 高效特性成为本领域专家研究的重点。目前，国内 外开发出各种形状的挤密钻头， 如普通圆锥型钻头、 一字型钻头、棱锥型钻头、子弹型钻头、阶梯型钻 头及复合型钻头，都获得了一定的减阻效果，但并 不明显。 虽然，自然界中无论是陆地、海洋或是天空中的 ChaoXing 第 3 期 孙荣军等 仿生冲击挤密钻头的研究 175 生物，经过亿万年的进化其表面为适应不同的生活环 境需要而进化成不同的非光滑形态，将低能耗高效率 应用到了极致[1]。生物体表非光滑形态的形成不仅与 其种属的遗传有关，而且与生物的生活习性和生存环 境有直接的关系，是生物为适应其生存环境长期进化 的结果[2-3]。 生物非光滑表面效应主要表现在非光滑表 面的减阻、脱附、耐磨和降噪等特性方面[4-9]。 受到自然界生物启发，本文将仿生非光滑理论 中的减粘、降阻和耐磨特性应用在冲击挤密钻头的 设计上，利用表面改型技术制备仿生非光滑冲击挤 密钻头，并进行数值分析和户外试验。 1 仿生原型优选 1.1 仿生原型 蜣螂是一种勺状头型的昆虫，一般在潮湿的泥 土中穿行，可将粪便变成球型。它们将卵产在此球 状粪便上并将卵掩埋，有“自然界清道夫”的称号。 蜣螂头部推土板像挖掘机一样挖土，前足进化成挖 掘足用力向后扒土，其推土板布满有若干凸包非光 滑，腹部分布有若干凹坑非光滑。凸包形非光滑多 存在于动物体表与土壤积压、 摩擦较严重的部位； 凹 坑形非光滑， 多存在于动物体表与土壤较松散、 内聚 性较差对界面接触压力低的部位， 凸包和凹坑均可减 少接触面积， 且非光滑中所存在的空气还可以减少大 气负压，从而达到减粘、降阻和耐磨的目的。 冲击挤密钻头与含有水份的土层间的接触，土壤 的内摩擦力和水分的摩擦吸附将使钻头的前进阻力增 加、表面黏附性增强和钻头表面耐磨性下降，严重影 响钻头的钻进效率和使用寿命。因此，可以借鉴蜣螂 表面非光滑形态及其分布来制备冲击挤密钻头。 1.2 摩擦磨损测试 为了选择一种理想的钻头体表结构，设计了方 格形、波纹形、放射形和凸包形等钻头表面几何形 状进行摩擦磨损测定，根据测试结果优选出一种最 优的非光滑形态。 1.2.1 不同非光滑试样设计 试样的材料全部为地质热压钻头胎体常用的 63 号配方HRC35-37材料，在 KTS-100 晶闸管中 频装置烧制而成。 试样的制备模具采用数控加工中 心精确加工，试样的设计图如图 1 所示，实物图如 图 2 所示。 1.2.2 摩擦阻力测试 摩擦阻力是标定钻头进入土层的难易程度的重 要参数。试验在摩擦磨损实验机上进行，给定实验 机参数测试压力 980 N，试样轴转速 300 r/min，时 间 5 min，测试每个试样的摩擦阻力 5 次，测试结 果如表 1 所示。 由表 1 中试验数据可知，在压力相同的情况下 凸包表面特征试样所受到的摩擦阻力最小，光滑试 样最大，波纹、放射、方格形试样依次增加，光滑 试样是凸包试样的 1.70 倍。 1.2.3 磨耗比测试 摩耗比是表征材料耐摩擦性能的重要指标，它 是在规定的条件下使材料与 80 目粒度的碳化硅陶 瓷平行砂轮对摩，以砂轮的摩耗量 MS 和摩擦材料 的摩耗量 MT 之比， 做为耐摩擦材料的摩耗比 E 值。 给定测试参数压力 200 N， 试样轴转速 2 000 r/min， 时间 3 min，测试每个试样和与其对应砂轮的失重 并计算出磨耗比，每个测试 3 次，计算平均值，结 果如表 2 所示。 图 1 不同非光滑表面的试样设计图单位mm Fig.1 The design of different non-smooth surface specimen ChaoXing 176 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 2 不同非光滑表面的试样的实物图 Fig.2 The physical map of specimens with different non-smooth surfaces 表 1 试样摩擦阻力测试值 Table 1 The test value of friction resistance 序号 表面非光滑形态 摩擦阻力/N 平均值/N 试样一 465 455 450 452 453 1 方格 试样二 460 472 476 469 488 464 试样一 396 386 399 398 391 2 波纹 试样二 386 375 376 388 355 385 试样一 432 445 433 426 424 3 放射 试样二 445 455 438 462 480 444 试样一 335 366 357 362 355 4 凸包 试样二 353 350 342 340 330 349 试样一 589 581 567 577 596 5 光滑 试样二 622 600 598 620 600 595 表 2 仿生钻头试块磨耗比试验对比 Table 2 Test comparison of block wear of bionic bits 序号 表面非光滑形态 磨耗比 平均值 试样一 0.75 0.80 0.76 1 方格 试样二 0.74 0.72 0.61 0.76 试样一 0.82 0.77 0.75 2 波纹 试样二 0.79 0.88 0.91 0.82 试样一 0.53 0.40 0.42 3 放射 试样二 0.55 0.48 0.59 0.50 试样一 1.02 1.00 0.92 4 凸包 试样二 1.20 1.05 1.11 1.05 试样一 0.45 0.44 0.40 5 光滑 试样二 0.43 0.36 0.38 0.41 由表 2 试验数据可知，在压力相同的情况下凸 包表面特征试样的磨耗比最大，光滑试样最小，波 纹、方格形、放射试样依次降低，光滑试样磨耗比 是凸包试样的 2/5。 由摩阻和磨耗比测试结果看出，宏观非光滑底 唇面的减阻性和耐磨性效果很明显，尤以凸包效果 最为明显。 2 仿生冲击挤密钻头设计 2.1 参数与材料设计 根据仿生非光滑形态的分布原则和前期测试 结果确定仿生冲击挤密钻头表面宏观非光滑形态 是以蜣螂头部凸包非光滑体表作为仿生原型， 对冲 击挤密钻头进行表面改型设计。 非光滑排布选用母 线分布法沿几条圆锥母线分布一定数量的非光滑 形态，如图 3 所示。常规冲击挤密钻头的设计如 图 4 所示。 图 3 仿生冲击挤密钻头效果 Fig.3 Effect of the bionic impact extrusion bits 仿生冲击挤密钻头参数 Φ60 mm， 总长度150 mm， 凸包非光滑 Φ6 mm，凸包高度 1.5 mm，周向间距 ChaoXing 第 3 期 孙荣军等 仿生冲击挤密钻头的研究 177 图 4 常规冲击挤密钻头效果 Fig.4 Effect of the conventional impact extrusion bits 10 mm，轴向间距由尖部至最大端分别为 6 mm、 8 mm、12 mm、14 mm、18 mm。 常规冲击挤密钻头参数 Φ60 mm， 总长度150 mm。 材料 锰钢 ZGMn13-3。 2.2 有限元数值分析 2.2.1 边界条件及参数选取 冲击挤密过程中，附近的土层进入塑性破坏状 态，应力、应变值达到材料的破坏应力。为了真实 地反映土的应力–应变关系， 将土体视为连续的弹塑 性材料，采用 Drucker-Prager 模型。冲击挤密钻头 视为刚体，具体模型参数见表 3。 表 3 土体与钻头物理力学性能参数表 Table 3 Physical and mechanical perance parameter of the soil and bits 试样 密度/kgm –3 弹性模量/GPa 泊松比 黏聚力/kPa 内摩擦角/ 剪胀角/ 滑动摩擦系数 土体 1 960 0.036 0.3 10 25 20 0.4 钻头 7 680 200 0.3 2.2.2 加载方式 约束条件限定土体上表面为自由界面，下底 面和侧面分别限制竖直方向和水平方向的位移。冲 锤质量为 20 kg，力作用时间为 30 ms，落锤高度为 100 cm 时所产生的冲击功作为分析荷载，由能量守 恒及冲量定律计算冲击力。 能量守恒 mgh 1 2 mv2 冲量 0-mvFt 式中 m 为冲击锤质量， kg； h 为冲击高度， m； v 为 冲击末速度，m/s；F 为冲锤平均冲击力，kN；t 为 接触时间，s，得出冲击力 F2.95 kN。 2.2.3 应力分析 由轴向应力分布云图图 5、图 6可以看出，在 冲击力的作用下，仿生冲击挤密钻头的整个锥面每 个凸包都形成有局部的应力集中区，其破坏面分布 于整个钻头表面，锥尖与距离锥尖最近凸包处应力 最大，向下逐渐衰减。应力泡没有锥形规则，但破 图 5 仿生冲击挤密钻头轴向应力分布图 Fig.5 Axial stress distribution of the bionic impact extrusion bits 图 6 常规冲击挤密钻头轴向应力分布图 Fig.6 Axial stress distribution of the conventional impact extrusion bits 坏区域较锥形有优势。 常规冲击挤密钻头的锥尖下 方土体遭到的压缩程度最大， 这部分土体产生最大 位移变动，锥尖下面产生应力集中区域，导至了土 体的最初破坏，该区域成为破坏的主要区域，土体 遭到破坏又导致土体产生塑性流动， 使土体被挤向 冲击矛锥面两端。锥尖四周应力逐渐减小，冲击矛 头在不断地冲击下，旧的应力泡来不及消失，新的 应力泡又形成， 如此经过多次应力叠加使钻头下方 的土体越来越密实，强度越来越高，随着钻进深度 的增加，钻进速度越来越低。所以在应力分布图上 可以看出多层面的应力泡沿四周逐渐扩散。 3 仿生冲击挤密钻头试验 3.1 试验土层性能 试验地点在长春中部地区，土层褐黄色，可塑，无 摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，硬度和 容重较大，孔隙度较小，物理力学性能如表 4 所示。 ChaoXing 178 煤田地质与勘探 第 46 卷 表 4 实验土层物理力学性能 Table4 Physical and mechanical perance of the tested soil 参数 名称 天然重度 /kN∙m-3 含水 量/ 压缩模 量/GPa 黏聚力 /kPa 内摩擦 角/ 参数值 19.8 28.3 0.036 26 32.4 3.2 冲击挤密试验与分析 冲锤质量为 20 kg，落锤高度为 100 cm，连续 冲击 5 次测量 1 次钻头入地深度。试验所得连续冲 击 5 次进尺和平均单次冲击进尺数据如表 5 所示， 仿生冲击挤密钻头与常规钻头如图 7 所示。 表 5 冲击试验数据 Table 5 Impact test data 钻头 类型 冲击 次数 进尺/mm 单次进 尺/mm 单位进尺消耗 能量/Jmm–1 钻头 类型 冲击 次数 进尺/mm 单次进尺/mm 单位进尺消耗 能量/Jmm–1 43.00 8.60 23.26 29.00 5.80 34.48 48.00 9.60 20.83 37.00 7.40 27.03 50.00 10.00 20.00 38.00 7.60 26.32 48.00 9.60 20.83 39.00 7.80 25.64 46.00 9.20 21.74 34.00 6.80 29.41 52.00 10.40 19.23 36.00 7.20 27.78 46.00 9.20 21.74 38.00 7.60 26.32 47.00 9.40 21.28 37.00 7.40 27.03 43.00 8.60 23.26 38.00 7.60 26.32 47.00 9.40 21.28 36.00 7.20 27.78 50.00 10.00 20.00 39.00 7.80 25.64 55.00 11.00 18.18 35.00 7.00 28.57 42.00 8.40 23.81 39.00 7.80 25.64 55.00 11.00 18.18 32.00 6.40 31.25 53.00 10.60 18.87 25.00 5.00 40.00 57.00 11.40 17.54 40.00 8.00 25.00 54.00 10.80 18.52 29.00 5.80 34.48 56.00 11.20 17.86 31.00 6.20 32.26 55.00 11.00 18.18 34.00 6.80 29.41 仿生 冲击 挤密 钻头 5 54.00 10.80 18.52 常规 冲击 挤密 钻头 5 24.00 4.80 41.67 平均值 50.05 10.01 20.16 34.50 6.90 29.60 图 7 冲击挤密钻头实物 Fig.7 Material object of the impact compaction bits 由表 5 试验数据可知，各个仿生冲击挤密钻头 的单次冲击进尺比常规钻头平均提高 45％，单位进 尺消耗能量节省 47。 4 结 论 将仿生非光滑理论应用于非开挖技术冲击挤密 钻头的设计中，以生物界蜣螂为仿生原型，设计出 仿生冲击挤密钻头，通过数值分析和室外试验，结 果表明仿生冲击挤密钻头的单次冲击进尺较常规 冲击挤密钻头的大，减小单次钻进冲击功，节省能 量，降低成本，具有显著的社会和经济效益。 参考文献 [1] 任露泉， 杨卓娟， 韩志武. 生物非光滑耐磨表面仿生应用研究 展望[J]. 农业机械学报，2005，367144–147. REN Luquan，YANG Zhuojuan，HAN Zhiwu．Non-smooth wearable surfaces of living creatures and their bionic applica- tion[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2005，367144–147. [2] REN Luquan，HAN Zhiwu，LI Jianqiao，et al．Effects of non-smooth characteristics on bionic bulldozer blades in resis- tance reduction against soil[J]. Journal of Terramechanics， 2002， 394221–230. 下转第 183 页 ChaoXing 第 3 期 董昌乐等 顾桥矿顶板定向长钻孔爬升段施工工艺试验 183 SHI Zhijun， DONG Shuning， YAO Ningping， et al. Technology and equipment of horizontal measuring directional drilling in underground coalmine[J]. Coal Science and Technology，2013， 4131–6. [2] 吴建亭. 大直径长距离高位钻孔参数优化与实施[J]. 煤炭科 学技术，2010，38863–65. WU Jianting. Optimization and implementation on large diame- ter and long distance high level borehole parameters[J]. Coal Science and Technology，2010，38863–65. [3] 张海权， 王惠风， 王向东. 大直径高位钻孔代替高抽巷抽采瓦 斯的研究[J]. 煤炭科学技术，2012，40651–53. ZHANG Haiquan，WANG Huifeng，WANG Xiangdong. Study on gas drainage with large diameter high level borehole to re- place high level gas drainage gateway[J]. Coal Science and Technology，2012，40651–53. [4] 李泉新，石智军， 史海岐. 煤矿井下定向钻进工艺技术的应用[J]. 煤田地质与勘探，2014，42285–88. LI Quanxin，SHI Zhijun，SHI Haiqi. The application of direc- tional drilling technology in coal mine[J]. Coal Geology Ex- ploration，2014，42285–88. [5] 许超，石智军. 煤矿井下定向钻进钻孔事故的预防及处理[J]. 煤田地质与勘探，2014，423100–104. XU Chao，SHI Zhijun. Prevention and treatment of drilling ac- cident in underground coal mine[J]. Coal Geology Explora- tion，2014，423100–104. [6] 董萌萌. 煤矿井下用 Ф73 mm 高韧性高强度钻杆的研制及 应用[J]. 煤田地质与勘探，2017，452152–156. DONG Mengmeng. Development and application of Ф73 mm high toughness and high strength drilling pipe[J]. Coal Geology Exploration，2017，452152–156. [7] 孙荣军，李泉新，方俊，等. 采空区瓦斯抽采高位钻孔施工技 术及发展趋势[J]. 煤炭科学技术，2017，45194–99，213. SUN Rongjun，LI Quanxin，FANG Jun，et al. Construction technology and development tendency of high level borehole for gas drainage in goaf[J]. Coal Science and Technology，2017， 45194–99，213. [8] 周亚东， 耿耀强． 大孔径长钻孔替代高抽巷瓦斯抽采技术[J]. 煤 矿安全，2011，421025–27. ZHOU Yadong，GENG Yaoqiang. Gas drainage technology with longborehole with large diameter instead of high extraction lane[J]. Safety in Coal Mines，2011，421025–27. [9] 张晓磊，程远平，王亮，等．煤与瓦斯突出矿井工作面顶板 高位钻孔优化设计[J]．煤炭科学技术，2014，421066–70. ZHANG Xiaolei，CHENG Yuanping，WANG Liang，et al. Optimized design on high level borehole in roof of coal mining face in coal and gas outburst mine[J]. Coal Science and Tech- nology，2014，421066–70. [10] 曹胜根，刘长友. 高档工作面断层破碎带顶板注浆加固技术[J]. 煤炭学报，2004，295545–549. CAO Shenggen，LIU Changyou. Grouting reinforcement tech- nique in fault broken roof in working face with individual props[J]. Journal of China Coal Society，2004，295545–549. 责任编辑 聂爱兰 上接第 178 页 [3] 杨卓娟. 激光处理凹坑非光滑表面耐磨试验的正交设计研究[J]. 机械设计，2005，22755–56. YANG Zhuojuan. Research of orthogonal design on wear resis- tance test of non-smooth surfaces with laser treated pits[J]. Journal of Machine Design，2005，22755–56. [4] 王云鹏，任露泉，杨晓东，等. 仿生柔性非光滑表面的结构优 化设计[J]. 农业工程学报，1999，15133–35. WANG Yunpeng，REN Luquan，YANG Xiaodong，et al. Structure optimization design of bionics flexible unsmoothed srufaces[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，1999，15133–35. [5] 李建桥， 任露泉， 刘朝宗， 等. 减粘降阻仿生犁壁的研究[J]. 农 业机械学报，1996，2722–4. LI Jianqiao，REN Luquan，LIU Chaozong，et al. A study on the bionic plow moldboard of reducing soil adhesion and plowing resistance[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricul- tural Machinery，1996，2722–4. [6] 杨卓娟，韩志武，任露泉. 激光处理凹坑形仿生非光滑表面试件 的高温摩擦磨损特性研究[J]. 摩擦学学报，2005，74374–376. YANG Zhuojuan， HAN Zhiwu， REN Luquan． Friction and wear behavior of bionic non-smooth surfaces at high temperature[J]. Tribology，2005，74374–376. [7] TONG Jin，AMELL R D，REN Luquan. Dry sliding wear be- havior of bamboo[J]. Wear，1998，221237–46. [8] 尚广瑞，任露泉，杨晓东，等. Cu-Zn 合金仿生耦合表面 的疏水性能[J]．吉林大学学报工学版，2007，375 1126–1132. SHANG Guangrui，REN Luquan，YANG Xiaodong，et al. Hydrophobic capabil ity of bionic Cu-Zn al loy surfaces[J]. Journal of Jilin UniversityEngineering and Technology Edi- tion，2007，3751126–1132. [9] 侯哲生，佟金. 蠕动发酵罐的仿生耦合设计[J]．农业机械学 报，2007，386100–103. HOU Zhesheng，TONG Jin. Bionic coupling design for peri- staltic fermentator[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2007，386100–103. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing