钻齿侵入破碎非均质花岗岩机理研究

摘要

钻齿侵入破岩是钻头破岩的主要方式之一。为了探究不同齿形侵入破碎非均质硬岩的效率差异,基于Voronoi细分方法建立了2种花岗岩(灰白色和浅红色花岗岩)的有限元模型。该模型参数的标定相对误差在7%以内,能够较好地反应花岗岩的非均质特性。建立5种不同钻齿侵入破碎花岗岩的仿真模型,对比分析钻齿在特定侵入载荷下的侵入力、侵入深度和花岗岩破碎程度等参数。研究结果表明:侵入力恒定时,侵入位移迅速增大至峰值,随后在岩石内弹性能的释放和外侵入载荷的共同作用下,在最大位移附近波动;随着侵入力增大,最大侵入位移也增大,当侵入力为1~4 kN时,最大位移在0.15 mm内;增大侵入力更能损伤岩石,载荷为3~4 kN时破岩效率相对较高;5种齿中,侵入性能最好的是CS型齿,最差的是CB型齿。该研究既可为利用有限元研究“岩石-刀具”的破岩机理提供一种新思路,也可为牙轮钻头和冲击钻头等钻具的选齿提供参考。