沖擊旋轉(zhuǎn)加載下金剛石鉆頭-巖面動摩擦特性試驗(yàn)?zāi)M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(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083； 2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100083)

摘要：為研究旋轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)過程中金剛石鉆頭與巖石接觸界面動摩擦參量的變化規(guī)律，利用自主研發(fā)的鉆進(jìn)模擬系統(tǒng)，通過應(yīng)力波精確、可重復(fù)測量鉆頭與混凝土試樣間隨時間變化的關(guān)鍵參量，直接獲得軸壓力、摩擦力，計(jì)算出相對滑動速度、滑動位移及摩擦系數(shù)。結(jié)果表明，金剛石鉆頭與試樣間相對滑動速度、位移與旋轉(zhuǎn)加載速率相關(guān)性較大，隨其增加而增大；界面動摩擦系數(shù)隨沖擊速度增高而增大；在每次沖-旋加載過程中試驗(yàn)所得動摩擦系數(shù)基本恒定，不受軸向沖擊加、卸載過程影響，穩(wěn)定動摩擦力與應(yīng)力波峰持續(xù)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(tài)摩擦特征。

關(guān)鍵詞：沖-旋加載；界面滑動；試驗(yàn)?zāi)M；動摩擦

中圖分類號:O313.5文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)摩擦特性作為巖石破碎機(jī)理研究的重要內(nèi)容，旋轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)過程中，巖石破壞形成、發(fā)展均與鉆頭、巖石的摩擦滑動緊密聯(lián)系，摩擦滑動中伴隨巖石強(qiáng)度降低至破碎[1]及能量釋放等復(fù)雜過程，摩擦具有非常復(fù)雜的表面物理化學(xué)現(xiàn)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(guān)于巖石及與其它物體間的摩擦性能研究大多集中于準(zhǔn)靜態(tài)、低速摩擦[4]。Gerde等[5-6]分別研究巖石、節(jié)理帶、復(fù)合材料等的摩擦特性，對象為兩物體簡單表面摩擦，應(yīng)力狀態(tài)單一。而鉆頭鉆進(jìn)為復(fù)雜的動態(tài)作用過程，動態(tài)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(yùn)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(shù)、滑動面粗糙度、摩擦距離及速度-狀態(tài)依賴性本構(gòu)參數(shù)(a-b)等摩擦滑動性質(zhì)。Schneider[10]采用直接剪切方法研究巖石的摩擦滑動與時間之關(guān)系。Byerlee[11]在高正應(yīng)力條件下采用三軸方法研究花崗巖的動、靜摩擦系數(shù)，Espinosa等[12-13]利用改進(jìn)的霍普金森扭桿裝置測試獲得金屬等材料間的摩擦系數(shù)。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(zhì)聚氨酯泡沫塑料盒MDF水泥材料與鋁合金間動摩擦系數(shù)。

本文通過鉆進(jìn)模擬系統(tǒng)，采用新的測試技術(shù)在高應(yīng)變率旋轉(zhuǎn)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(tài)摩擦性能，分析不同沖擊工況下滑動過程中關(guān)鍵摩擦參量的變化規(guī)律，以期為深入研究巖石的破碎機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)方法與原理

鉆進(jìn)模擬系統(tǒng)包括高精度試驗(yàn)平臺、試驗(yàn)桿系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1　鉆進(jìn)模擬系統(tǒng)裝置示意圖 Fig.1 Drilling simulation system schematic diagram

鉆進(jìn)模擬系統(tǒng)采用帶金剛石鉆頭的試驗(yàn)桿撞擊高速旋轉(zhuǎn)試樣模擬鉆頭鉆進(jìn)過程。該系統(tǒng)試驗(yàn)平臺見圖2，圖中高精度水平支撐平臺用于安裝發(fā)射系統(tǒng)及入射桿。加載部位近觀圖見圖3。

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

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

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

試驗(yàn)前鉆頭、巖樣預(yù)留一定縫隙d，試驗(yàn)桿被撞擊后產(chǎn)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(yù)留縫隙剛好閉合。故預(yù)留縫隙大小即為撞擊桿撞擊結(jié)束時入射桿撞擊端位移。由于兩桿(一長一短)正碰產(chǎn)生的應(yīng)力波幅值(桿中應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)力波波后質(zhì)點(diǎn)速度)與桿長度無關(guān)，僅與撞擊速度及材料特性(聲阻抗)有關(guān)，應(yīng)力波長度(時間及空間尺度)與短桿長度相關(guān)。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(zhì)點(diǎn)速度為v=V0/2，而入射波寬為τ=2L0/c0，則預(yù)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(dá)鉆頭時鉆頭與試樣接觸，由于此時試樣處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，撞擊的壓縮波反射形成壓縮波εr2及剪切波γ。

(1)拉壓應(yīng)變值與示波器顯示電壓值關(guān)系式

設(shè)應(yīng)變片靈敏系數(shù)為K1，應(yīng)變儀放大系數(shù)為K2，按對臂工作電橋原理，得拉壓應(yīng)變值ε(t)與輸出電壓ΔU1(t)的關(guān)系為

(2)

式中：U0為供橋電壓。

(2)剪切應(yīng)變值與示波器顯示電壓值關(guān)系式

按全橋原理，可得剪應(yīng)變值γ(t)與輸出電壓ΔU2(t)的關(guān)系為

(3)

(3)鉆進(jìn)過程壓縮力為

Fn=E0A0(εi2+εr2)

(4)

式中：E0，A0為試驗(yàn)桿彈性模量及截面積；εi2，εr2由試驗(yàn)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(diǎn)與壓縮信號起跳點(diǎn)不同，對桿中剪切波、壓縮波傳播速度(vs,vp)、鉆頭至測點(diǎn)(剪切、壓縮)距離(ss,sp)進(jìn)行分析。剪切波到達(dá)測點(diǎn)時間為ts=ss/vs；壓縮波到達(dá)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)，即保證ts=tp，試驗(yàn)中應(yīng)控制監(jiān)測點(diǎn)位置。

1.2試驗(yàn)方案

鉆進(jìn)模擬系統(tǒng)利用改進(jìn)的霍普金森(SHPB)沖擊系統(tǒng)進(jìn)行加載，入射桿材料為高強(qiáng)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(qiáng)鋼套采用力學(xué)性能好、接頭致密的無縫焊接技術(shù)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(qiáng)鋼，鉆頭內(nèi)徑25 mm，外徑33 mm。選長度200 mm圓柱形實(shí)心沖擊子彈，材料、直徑同入射桿，用波形整形技術(shù)改善加載脈沖，改變氣缸壓強(qiáng)P，用激光測速儀測量子彈速度V0，氣缸壓強(qiáng)P與速度V0關(guān)系曲線，見圖5。通過調(diào)節(jié)氣缸壓強(qiáng)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(zhuǎn)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速設(shè)為32 r/min、66 r/min、155 r/min及315 r/min。本試驗(yàn)僅用一種強(qiáng)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(huán)。同種工況下用5個試樣，加載5次，取較穩(wěn)定具有代表性的曲線進(jìn)行分析研究。

圖5　氣缸壓強(qiáng)P與速度V 0關(guān)系曲線 Fig.5 Curve of pressureP and velocity V 0

1.3試驗(yàn)混凝土試樣

據(jù)混凝土力學(xué)性能測試規(guī)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(biāo)準(zhǔn)混凝土試模(150×150×150)mm制備，混凝土試樣據(jù)所選圓柱形巖倉，自制試模尺寸為Φ99×99.5 mm。養(yǎng)護(hù)完成，用MTS試驗(yàn)機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，測得混凝土強(qiáng)度等級為C30。采用TMS-2型臺式磨石機(jī)加工試樣，使兩端表面平面度在0.05 mm以內(nèi)。加工處理的部分試樣見圖6。

圖6　試驗(yàn)用混凝土試樣 Fig.6 Concrete samples for experiments

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1恒定旋轉(zhuǎn)速率下參量變化

試驗(yàn)前檢測試樣的完整性，確定其完好、無裂縫及破壞。相同轉(zhuǎn)速(32 r/min)不同沖擊載荷下關(guān)鍵摩擦參量隨時間變化曲線見圖7。由圖7可知，各關(guān)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(chǎn)生，無明顯時間延遲及不正常變化，每次加載穩(wěn)定動摩擦力與正壓力波峰持時長基本一致?；瑒铀俣仍谝欢〞r間段內(nèi)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(yàn)區(qū)鉆頭與試樣間相對滑動，在試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)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(shù)間相互轉(zhuǎn)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(yàn)測試過程中未檢測出壓力、速度任何顯著峰值，動摩擦系數(shù)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1　恒定轉(zhuǎn)速不同沖擊速度下參量值

圖7　相同轉(zhuǎn)速(32 r/min)不同沖擊載荷下關(guān)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(shù)增長較明顯，而穩(wěn)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(wěn)定到0.017 m/s，不隨沖擊速度增加發(fā)生明顯變化?；瑒游灰齐m有所減少，但幅度不大，最終趨于穩(wěn)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(zhuǎn)速分別設(shè)為66 r/min、155 r/min、315 r/min，與32 r/min時滑動位移、摩擦系數(shù)及相對滑動速度進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果見圖8。由圖8(a)看出，保持沖擊速度不變，分別以不同轉(zhuǎn)速加載時，動摩擦系數(shù)幾乎不受轉(zhuǎn)速影響。由圖8(b)、(c)看出，相對滑動速度及位移均隨轉(zhuǎn)速增大而增大，變化較明顯。

表2恒定沖擊速度、不同轉(zhuǎn)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(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，在32～315 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，正壓力、動摩擦力及動摩擦系數(shù)基本保持穩(wěn)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(zhuǎn)速影響較顯著。

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

3結(jié)論

(1)本文試驗(yàn)系統(tǒng)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(shù)。

(2)鉆頭與試樣的相對滑動速度、位移與旋轉(zhuǎn)加載速率相關(guān)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(zhuǎn)速32～315 r/min范圍內(nèi)，界面動摩擦系數(shù)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(shù)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(wěn)定動摩擦力與應(yīng)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(zhuǎn)加載作用下鉆頭與巖面間動摩擦特征。

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