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        潛孔鉆頭柱齒和齒孔過(guò)盈配合的彈塑性有限元分析

        2011-01-25 01:48:08王琳
        鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具 2011年1期
        關(guān)鍵詞:過(guò)盈潛孔過(guò)盈量

        王琳

        (天水風(fēng)動(dòng)機(jī)械有限公司技術(shù)中心,甘肅天水741020)

        沖擊旋轉(zhuǎn)鑿巖是將沖擊破巖和刮削破巖兩種方式結(jié)合在一起的鉆鑿技術(shù)。該技術(shù)所用鉆壓和扭矩小,不容易發(fā)生孔斜,作為解決常規(guī)鑿巖方式在硬巖地層段鉆進(jìn)速度慢、效率低的有效方法之一,在潛孔鉆鑿領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

        1 問(wèn)題的提出

        潛孔鉆頭是實(shí)施沖擊旋轉(zhuǎn)鑿巖的專用鉆頭,筆者在對(duì)青海木里煤礦和甘肅柳園甘新高鐵施工段潛孔鉆頭應(yīng)用情況調(diào)查發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)用的Q13115-H64型潛孔鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中常常發(fā)生柱齒脫落、折斷和破碎、巖屑排除不暢等問(wèn)題,嚴(yán)重制約了沖擊旋轉(zhuǎn)鑿巖效率。文獻(xiàn)[1]對(duì)Q13115-H64型潛孔鉆頭進(jìn)行了井底流場(chǎng)分析,改進(jìn)了其水力結(jié)構(gòu)參數(shù),解決了排屑不暢的問(wèn)題,但柱齒脫落、折斷等問(wèn)題還沒(méi)有得到圓滿的解決。

        在沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆頭要受到很大的沖擊載荷作用,柱齒與鉆頭本體通過(guò)過(guò)盈配合聯(lián)接在一起,沖擊載荷通過(guò)柱齒傳到鉆頭本體上。因此,過(guò)盈量過(guò)小的選擇,直接關(guān)系到潛孔鉆頭的破巖效果與使用壽命,分析鉆頭齒孔過(guò)盈配合產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,對(duì)過(guò)盈量的選取以及鉆頭幾何尺寸設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì),都具有十分重要的意義。

        潛孔鉆頭的過(guò)盈量通常在十幾到幾十微米范圍內(nèi)變動(dòng),不同型號(hào)的鉆頭,其過(guò)盈量是不同的。如果采用試驗(yàn)的方法來(lái)確定,需要進(jìn)行一系列的重復(fù)試驗(yàn),周期長(zhǎng),代價(jià)高,其精度受到試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試技術(shù)等多種因素的影響。文獻(xiàn)[2]中采用有限元法對(duì)柱齒與齒孔的過(guò)盈配合問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究,提出了很有價(jià)值的觀點(diǎn),但分析都是基于對(duì)單齒或多齒過(guò)盈配合的研究,而不是針對(duì)完整鉆頭的過(guò)盈配合研究,不能準(zhǔn)確地反映鉆頭本體的應(yīng)力分布情況。本文以Q13115-H64型潛孔鉆頭為原型,利用有限元分析軟件ANSYS10.0對(duì)不同過(guò)盈量下鉆頭本體的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

        2 有限元分析的理論與方法

        在ANSYS10.0中直接建模。齒孔過(guò)盈量一般是在十幾到幾十微米的范圍內(nèi)變動(dòng),從力學(xué)角度來(lái)看,這種幾何變形會(huì)引起釬頭本體剛度的改變,屬于大應(yīng)變非線性問(wèn)題。另外,由于柱齒的嵌入,當(dāng)過(guò)盈量達(dá)到某一數(shù)值時(shí),將使齒孔局部區(qū)域發(fā)生塑性變形,而遠(yuǎn)離孔壁的區(qū)域又處于彈性狀態(tài),出現(xiàn)了彈塑性共存的局面,屬于材料非線性問(wèn)題。

        在通常情況下,柱齒由硬質(zhì)合金制成,其彈性模量比本體材料大一個(gè)數(shù)量級(jí),甚至大兩個(gè)數(shù)量級(jí)??梢哉J(rèn)為,在同等條件下的變形也是相差數(shù)量級(jí)的。因此,在誤差允許的范圍之內(nèi),將硬度極大、變形極小的柱齒視為不變形的剛性體,這樣柱齒與齒孔配合的過(guò)程中,過(guò)盈量全部均勻作用在孔壁上,此時(shí)的齒孔邊界變形可以認(rèn)為是大應(yīng)變非線性和材料非線性的雙重非線性問(wèn)題。

        對(duì)于非線性問(wèn)題,增量形式的有限元控制方程為

        式中{K}——增量剛度矩陣

        {△U}——增量位移矩陣

        {F}——節(jié)點(diǎn)等效力向量

        3 潛孔鉆頭本體彈塑性靜力分析模型

        3.1 有限元分析模型

        Q13115-H64型潛孔鉆頭雖然體積不大,但由于鑿巖的特殊要求,其結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜,這就使得在建立有限元模型時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。有限元分析主要考察柱齒過(guò)盈量在鉆頭本體上產(chǎn)生的應(yīng)力分布情況,因此,分析模型取潛孔鉆頭頭部結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,忽略潛孔鉆頭的沖擊端面和花鍵等結(jié)構(gòu)。采用積分二次四面體Solid92單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對(duì)齒孔周圍應(yīng)力變化較大的地方進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,得到如圖1所示的潛孔鉆頭網(wǎng)格模型。

        圖1 Q13115-H64潛孔鉆頭網(wǎng)格模型

        3.2 邊界條件的處理

        根據(jù)前面的理論分析,全部過(guò)盈量均勻施加在齒孔內(nèi)壁上,以此來(lái)近似模擬齒孔的過(guò)盈配合。鉆頭頭部結(jié)構(gòu)的下表面(圖2所示A面)與鉆頭花鍵(圖2所示B處)相連,根據(jù)圣維南原理,該表面遠(yuǎn)離齒孔,對(duì)齒孔的應(yīng)力分布影響不大,取模型下表面全部為零位移邊界條件,從而有了約束條件。

        圖2 Q13115-H64潛孔鉆頭外形圖

        3.3 材料的本構(gòu)關(guān)系

        塑性材料的本構(gòu)關(guān)系一般以拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線形式給出。材料數(shù)據(jù)可能是工程應(yīng)力(σ=P/A0,P為載荷,A0為試樣的原始截面積)與工程應(yīng)變(ε=(L-L0)/L0,L為試樣變形后的長(zhǎng)度,L0為試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度),也可能是真實(shí)應(yīng)力(P/A,P為載荷,A為受載后實(shí)際的截面面積)與真實(shí)應(yīng)變(瞬時(shí)伸長(zhǎng)量除以瞬時(shí)長(zhǎng)度)。因?yàn)檎鎸?shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變可以排除工程應(yīng)力、工程應(yīng)變中達(dá)到最大值后應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)力下降的假象,因此大應(yīng)變的彈塑性分析一般采用真實(shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù),而小應(yīng)變分析一般采用工程的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)。鉆頭本體材料選用20Ni4Mn(經(jīng)調(diào)質(zhì)處理),其彈性模量E=2.18×105MPa,泊松比μ=0.3,真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用如圖3所示的折線來(lái)擬合。

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        圖3 20NiMn真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

        為了方便分析各齒孔的應(yīng)力分布情況,鉆頭各齒孔編號(hào)如圖4所示。圖5所示的是過(guò)盈量為0.01mm時(shí)輸入真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變后得到的鉆頭本體的vonMises應(yīng)力云圖,從圖5可以看出鉆頭本體上的應(yīng)力主要集中分布在各齒孔周圍,最大應(yīng)力為1017MPa,出現(xiàn)在齒孔O8根部。噴嘴主要受流體的壓力作用。而流體的壓力很小,可以忽略不計(jì),所以噴嘴周圍的應(yīng)力分布很小。除去齒孔周圍的區(qū)域,鉆頭本體上大部分區(qū)域的應(yīng)力值都比較小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力1010MPa,只有局部位置的應(yīng)力接近或超過(guò)屈服應(yīng)力,此時(shí)鉆頭本體主要處于彈性變形階段,還有很大的強(qiáng)度盈余,可以進(jìn)一步增大過(guò)盈量。

        圖4 齒孔示意圖

        圖5 0.01mm過(guò)盈量的vonMises應(yīng)力云圖

        圖6所示的是過(guò)盈量增大到0.02 mm后輸入真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變后得到的鉆頭本體的vonMises應(yīng)力云圖。隨著過(guò)盈量的增加,最大應(yīng)力增大到了1216MPa,但應(yīng)力分布情況是相似的。圖6b清楚地顯示出,由于孔M1、M2與孔O7、O8、O3、O4的間距比較小,在齒孔O7、O8和M1以及O3、O4和M2之間應(yīng)力是比較高的,已經(jīng)大于屈服應(yīng)力,產(chǎn)生了塑性變形,但是塑性變形區(qū)域比較小,沒(méi)有貫通齒孔之間的區(qū)域,從整個(gè)鉆頭本體看來(lái),絕大部分區(qū)域的材料仍然處于彈性階段,通過(guò)增大過(guò)盈量還可確保獲得更高的固緊力。

        圖6 0.02mm過(guò)盈量的vonMises應(yīng)力云圖

        圖7所示的是過(guò)盈量增大到0.03mm后輸入真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變后得到的鉆頭本體的vonMises應(yīng)力云圖。隨著過(guò)盈量的增加,最大應(yīng)力增大到1318MPa,齒孔周圍的高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。圖7b清楚地顯示出,齒孔O7、O8和M1以及O3、O4和M2之間高于屈服應(yīng)力的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。并且出現(xiàn)了塑性變形區(qū)連通的情況。相鄰齒孔因過(guò)盈配合產(chǎn)生的裝配應(yīng)力場(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)迭加的情況,這對(duì)柱齒來(lái)說(shuō)是非常重要的。如果出現(xiàn)塑性區(qū)迭加的情況,將會(huì)嚴(yán)重降低鉆頭柱齒的固緊效果。當(dāng)柱齒受到的沖擊載荷傳到鉆頭本體時(shí),由于鉆頭本體齒孔附近的材料已經(jīng)處于塑性屈服狀態(tài),在沖擊力的作用下將發(fā)生塑性流動(dòng),導(dǎo)致齒孔擴(kuò)大變形,柱齒將從齒孔中脫落。

        圖7 0.03mm過(guò)盈量的vonMises應(yīng)力云圖

        除去齒孔O3、O4、O7和O8,鉆頭本體上第一圈的其它齒孔,塑性變形區(qū)域主要分布在齒孔圓周的較小區(qū)域,而鉆頭中心部位的齒孔I2的塑性變形區(qū)域更小。齒孔I1和I3遠(yuǎn)離其它齒孔,應(yīng)力分布受其它齒孔的影響較小,取齒孔I1沿孔深度的vonMises應(yīng)力曲線如圖8所示。由圖8可以看出,在相同的過(guò)盈量下,應(yīng)力沿齒孔深度方向的分布是變化的,最大應(yīng)力為984MPa,位于孔深約9mm處的孔底倒角上端,低于屈服應(yīng)力1010MPa,過(guò)了最大應(yīng)力點(diǎn)后,在齒孔倒角處應(yīng)力迅速降低??傊?,齒孔I1和I3周圍的材料仍然處于彈性狀態(tài),還有進(jìn)一步增大過(guò)盈量的可能。

        圖9所示的是過(guò)盈量增大到0.05 mm后輸入真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變后得到的鉆頭本體的vonMise應(yīng)力云圖。此時(shí)鉆頭本體上的最大應(yīng)力為1415MPa,出現(xiàn)在齒孔O8的根部,已經(jīng)接近了材料的強(qiáng)度極限1420MPa,這是不允許的。此時(shí),不僅齒孔O7、08和M1以及O3、O4和M2之間高于屈服應(yīng)力的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大,而且齒孔I2與M2之間的區(qū)域也出現(xiàn)了塑性區(qū)迭加的情況。

        圖9 0.05mm過(guò)盈量的vonMises應(yīng)力云圖

        5 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)以上分析,我們決定對(duì)Q13115-H64型潛孔鉆頭做出如下改進(jìn):

        (1)通過(guò)改進(jìn)布齒設(shè)計(jì),增大齒孔O7、O8和M1以及O3、O4和M2之間的間距,消除齒孔周圍的塑性區(qū)迭加,提高釬體對(duì)柱齒的固緊力。

        (2)針對(duì)鉆頭本體不同的齒孔間距,采用不同的配合過(guò)盈量,解決在相同的過(guò)盈量下齒孔間間距不同產(chǎn)生的應(yīng)力分布也不同的問(wèn)題,以保證鉆頭上所有柱齒固緊效果都達(dá)到最優(yōu)。

        (3)調(diào)整柱齒加工工藝,將柱齒齒根磨成一定的錐度,這樣可以使孔壁深度方向的應(yīng)力場(chǎng)分布更加均勻,在提高固齒質(zhì)量的同時(shí)也有利于制造鉆頭時(shí)的鑲齒作業(yè)。

        [1]單代偉等.潛孔鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與井底流場(chǎng)關(guān)系研究[J].天然氣工業(yè),2007,27(2).

        [2]練章華等.球齒過(guò)盈配合接觸問(wèn)題的計(jì)算機(jī)模擬研究[J].石油學(xué)報(bào),2002,23(2).

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