一区TOP期刊《JRMGE》—MBD-DEM耦合模拟与验证钻头按钮磨损对旋转冲击钻进性能的影响

2024-10-05 18:15 山东

大家好！今天给大家分享来自TOP期刊《 Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》的文章，大家快来学习一下吧。

钻头按钮磨损对旋转冲击钻进性能的影响：MBD-DEM耦合模拟与验证

Influences of bit button wear on performance of rotary-percussive drilling: MBD-DEM coupling simulation and verification

1. 主要摘要

本文重点研究了钻头按钮磨损对硬岩旋转冲击钻进性能的影响。为了提高钻进效率和降低成本，了解操作参数、钻头磨损和钻进性能之间的关系至关重要。通过多体动力学（MBD）和离散元法（DEM）耦合模拟，研究了操作参数和钻头磨损对钻进速度和磨损特性的影响。模拟结果表明，锤压力对钻头的穿透速度和磨损深度有显著影响，存在一个经济的锤压力范围来优化性能。钻头磨损系数对穿透速度影响较大，尤其当磨损系数在1/3到2/3之间时，增大磨损系数会减少钻头压力和磨损深度。研究结果为优化钻头设计和操作参数提供了理论依据。

2. 引言

旋转冲击钻进技术广泛应用于采矿和地下工程中，尤其是硬岩层的钻探。然而，钻头磨损是影响钻进效率和成本的重要因素。现有研究主要关注操作参数对岩石破碎的影响，但对钻头磨损对钻进性能的影响缺乏系统研究。因此，本文通过MBD-DEM耦合模拟研究钻头按钮的磨损类型及其对钻进效率的影响，并通过现场测试验证模拟结果，旨在为优化钻头的使用寿命和钻进效率提供依据。

3. 主要内容

1.研究方法：本文采用多体动力学（MBD）与离散元法（DEM）相结合的耦合模拟方法，详细研究了钻头磨损对旋转冲击钻进性能的影响。MBD用于模拟钻头、冲击杆等机械部件的运动行为，DEM用于模拟岩石的破碎和颗粒相互作用。在模拟过程中，钻头与岩石之间的接触、冲击力的传递、以及颗粒破碎的动态过程都被细致地再现。文中还采用了现场数据进行验证，确保数值模型的准确性。通过该耦合模型，可以精确模拟钻头在不同操作条件下的性能变化。

2.磨损类型分类：钻头在旋转冲击钻进过程中由于受力复杂，存在多种磨损类型。本文通过对来自河北省承德市杨家窝铺双洞高速公路隧道的118个钻头样本进行分析，归纳出五种主要的磨损类型：

（1）正常磨损：主要表现为按钮和钻头体的磨损，多见于磨蚀性强的岩层中。

（2）直径磨损：发生在磨蚀性岩石中，因钻孔缩小导致钻头边缘和按钮受到挤压，进一步引发磨损。

（3）按钮脱落：包括钻头面按钮和量规按钮的脱落，由于冲击和高压导致按钮丧失。

（4）材料失效：主要表现为钻头材料（如钻头体或按钮）的断裂，可能由于过高的冲击力或材料疲劳导致。

（4）其他类型：包括水流孔堵塞和杆嵌入岩层的情况，这些特殊磨损类型会加速钻头的损坏。

3.耦合模拟：文章构建了详细的旋转冲击钻进的耦合模拟模型，模拟了钻头与岩石的相互作用过程。模拟模型结合了Recurdyn（用于多体动力学）与EDEM（用于颗粒和岩石破碎过程）软件，实现了对钻头按钮磨损、冲击频率、转速和锤压力等关键参数的综合分析。通过该模型，研究了不同锤压力下的按钮磨损深度、钻进速度（ROP）以及机械比能（MSE）的变化。模拟结果表明：

（1)增加锤压力会提高钻头的穿透速度，但过高的压力会导致按钮磨损加剧。

（2)低锤压力下，钻头的磨损主要集中在量规按钮，而高锤压力下，磨损逐渐转移到钻头面按钮。

(3)研究还发现，当磨损系数达到某一范围（如2/6到4/6）时，穿透速度和机械比能的变化尤为明显，这一发现为优化钻进操作提供了参考。

4.验证和分析：为了验证数值模拟的准确性，研究通过杨家窝铺隧道的现场测试数据进行了对比分析。现场测试记录了不同锤压力、进给压力、转速以及钻进深度下的钻进速度和磨损情况。测试结果表明：

(1)旋转冲击钻进系统中的关键参数（如锤压力和冲击频率）对钻进效率和磨损行为有显著影响。

(2)模拟与现场测试结果的高度一致性（相关系数达到0.9913）表明，MBD-DEM耦合模型能够精确预测实际操作中的钻进性能。

5.操作参数对钻进性能的影响：研究进一步探讨了操作参数（如锤压力、冲击频率）对钻头磨损和钻进效率的影响：

(1)锤压力的增加显著提升了穿透速度，但当锤压力超过14 MPa时，穿透速度的提升逐渐减缓，且磨损深度明显增加。

(2)机械比能（MSE）随锤压力的变化表现出先升高后降低的趋势，最佳锤压)力范围为12 MPa至14 MPa。

(3)冲击次数与旋转次数的减少随着锤压力的增加，表明较高的锤压力能够减少钻头对未破碎岩层的作用时间，从而提高破碎效率。

6.钻头磨损系数对钻进性能的影响：通过定义按钮磨损系数，研究了磨损系数对钻进性能的影响。磨损系数分为七个等级，分析了不同磨损深度下的穿透速度和机械比能的变化。研究发现：

(1)当磨损系数在2/6到4/6之间时，穿透速度和机械比能变化显著。