大直径气动潜孔锤钻头球齿与本体的过盈量分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 3 大直径气动潜孔锤钻头球齿与本体的过盈量分析 阖耀保 ， 张 昌钧 ， 岑 1 ． 同济大学 机械与能源工程学院， 上海2 0 0 0 9 2 ； 斌 ． 郭传 新 2 ． 北京建筑机械化研究院， 北京 1 0 0 0 0 7 摘要 大直径气动潜孔锤钻头一般采用冷压工艺进行钻齿 与本体装 配 ． 即固齿 。固齿过盈量的大小直接决定钻头制造工艺 过程及其 服役性能。采用弹性力学的方法初步计算过盈量 ， 用有 限元数值解法模 拟冷 压固齿过 程 ， 获取过盈量与齿孔 、 柱齿应力间 的关系 ， 得到 较精确的过盈值用于指导冷压 固齿装配过程 。 关键词 气动技术 ； 潜孔锤钻头 ； 冷压 固齿 ； 过盈量 中图分类号 T H1 3 8 文 献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 0 0 1 7 0 4 I n t e r f e r e n c e A n a l y s i s o f D r i l l a n d D o f o r L a r g e D i a me t e r P n e u ma t i c DT H H a m me r Y I N Y a o - b a o ， Z H A NG C h a n g - j u n ， C E N B i n ， GU O C h u a n - x i n 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ； 2 ． B e i j i n g I n s t i t u t e o f C o n s t r u c t i o n Me c h a n i z a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 0 7， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o l d - p r e s s h o l d i n g t e c h n o l o g y i s u s e d i n t h e l a r g e d i a me t e r p n e u ma t i c d o wn - the h o l e h a mme r ．T h e c l e a r a n c e o f d r i l l a n d b o d y i n flu e n c e s the ma n u f a c t u rin g p r o c e s s a n d s e r v i c e b e h a v i o r ．T h e the o o f e l a s t i c i t y i s u s e d t o ma k e a rou g h c alc u l a t i o n ， a n d fi n i t e - e l e me n t a n a l y s i s i s a d o p t e d t o s i mu l a t e t h e p roc e s s o f c o l d - p r e s s h o l d i n g S O a s t o g e t t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e c l e a r a n c e a n d t o o th h o l e o r d ril 1 ．At l a s t t h e p r e c i s e c l e a r a n c e i s o b t a i n e d t o g u i d e the a s s e mb l y p roc e s s o f c o l d - p r e s s h o l d i n g p roc e s s ． Ke y wo r d s p n e u ma t i c s ； d o w n the h o l e h a mme r d ri l l ； c o l d - p r e s s h o l d i n g ； i n t e r f e r e n c e 0 引言 气动潜孔锤是一种重要的入岩钻孔装备 ．它以压 基金 项 目 国家科 技支撑计 划资助项 目 2 0 1 1 B A J 0 2 B 0 6 ； 国家 自然科学 基 金 资 助 项 目 5 1 1 7 5 3 7 8 ， 5 1 2 7 5 3 5 6 ； 航 空 科 学 基 金 资 助 项 目 2 0 1 2 0 7 3 8 0 0 1 ， 2 0 1 2 8 0 3 8 0 0 3 ； 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 6 作者简介 阉耀保 1 9 6 5 一 ， 男 ， 湖北麻城人 ， 教授 ， 博士 ， 研究方向为极 限环 境下的流体传动与控制基础理论、 飞行器能源与舵机、 高速气动控制。 - 一- - 缩空气作为介质驱动锤体进行冲击和旋转 ．实现破岩 和钻进 ， 适用 于各种软硬松散地层 、 碎石层 、 卵石层及 岩层等复杂地质条件下的快速钻孔 ．并形成大承载力 嵌岩 入岩 桩和防治地质灾害的抗滑桩 ， 适应性强 、 施 工效率高且为普通冲击 回转钻进 的 3 ～ 1 0倍 ． 成孔质量 好 ． 无泥浆污染 。 是 目前有效 的先进大直径入岩钻进施 工设备[ ” 。钻头直接作用于岩石 ． 影 响潜孔锤整机的寿 命与性能 。 目前潜孔锤钻头多为柱齿钻头 ， 即柱齿 球 图 7 角度偏差 5 结论 为了对机电液一体化复杂系统进行仿真研究 ． 运用 P r o ／ E n g i n e e r 、 AD AMS 、 A N S Y S 、 A ME S i m 和 S i mu l i n k分 别建立机械 、 液压和控制模型 ， 在 S i m u l i n k主环境 中进 行联合仿真。联合仿真技术不需要推导数学模型 ， 建模 效率高 ， 能充分发挥不 同软件在各 自领域的优势 ， 智能 控制算法精度高。 参考文献 马长林． 李 锋 ． 等 ． 基 于 S i mu l i n k的机 电液 系统集成化仿真平 台研究[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 8 ， 9 1 7 4 5 7 8 - - 4 5 8 1 ． 郑建荣． A D A MS 一 虚拟样机技术入 门与提高『 M] ． 北京 机械工 业 出版社 ． 2 0 0 4 ． 冯永保． 常钰． 基于 F u z z y - P I D控制的调平支腿精确定位的仿 真研究叨． 液压气动与密封， 2 0 1 1 ， 9 1 9 2 2 ． 石辛 民， 郝整清． 模糊 控制及其 MA T L A B仿真[ M ] ． 北京 清华 大学 出版社 ． 2 0 o 8 ． 刘坤． 电液伺服系统的智能控制研究 ．秦皇岛 燕山大学， 2 0 0 3 ． 】 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 1 2期 形 、 锥形 、 弹头形等 通过固齿嵌入钻头本体。潜孔锤钻 头的固齿工艺主要有三种 钎焊 固齿、 热嵌 固齿和冷压 法 固齿嘲 。前两种效果好 ， 对钻头体产生的应力小 。 固齿 牢 固． 但 比较适合小直径钻头。冷压法固齿 ， 即钻头体 固齿时不加热 ， 适用于大孔径潜孔钻头 ． 因为钻头质量 大 ． 加热不便 ； 同时大直径潜孔钻头齿间距大 ， 具有足 够的强度夹持合金柱齿 固齿时需要精确控制齿的过 盈量 ． 精确测量每个柱齿 的直径并进行单配 。 采用冷压 技术将柱齿压入齿孔【 3 l 钻 头的钻齿 和本体之 间采取合 理 的过盈 量十分 重要 ． 固齿 的过 盈量过大会 造成钻头本 体破坏 ． 引起 齿孔壁胀裂 过 盈量过小会 导致抱齿力 不够 。 造成潜 孔钻头柱齿脱落。固齿 的基本原则是 为了显著提高 固齿能力 ．齿和孔尽可能处于弹塑性变形配合状态 。 目前过盈量大多采用近似计算或实验来取得 ． 这样 就 造成取值不准确或成本太高 本文采用弹性力学方法 计算合理过盈值 ． 采用有限元数值解法模 拟冷压 固齿 过程 ， 研究过盈量大小与齿孔 、 柱齿应力 的关系 ， 获取 典型结构的过盈量分析方法 ． 用 于指导 冷压固齿装 配 过 程 。 1 钻头过盈配合固齿弹塑性力学特性 图 1所示为气动潜孔锤工作原理 空气压缩机产 生高压空气 ．驱动潜孔锤活塞产生高频 冲击力 冲击钻 头 。 使其切入和破碎岩土。同时钻杆带动钻头旋转并切 削岩土 气动潜孑 L 锤在 冲击和旋转的联合作用下实现 钻 进 。 图 2所示为钻头的柱齿与齿孔受力情况图 依据 圣维南原理 S a i n t V e n a n t ’ s P r i n c i p l e p 1 ． 结合钻头底部 柱齿分布特点以及柱齿与齿孔 的受力模型 ．可以运用 厚壁圆筒应力分析方法求解过盈值 1 8 图 1 气动潜 孔锤 工作原理 圈 2柱齿与齿孔受力情况 由 L a m e 拉美 公式圈 ， 可得柱齿与齿孔周向力 c r 0 为 ㈩ Ro - Ri R0 - Ri r 柱齿与齿孔径向力 or 为 二 一 Ro - Ri Ro - Ri r 位移分量 为 一 半 ㈤ 式中 卜材料弹性模量 ， MP a ； I 一材料泊松 比 R ； 内孔半径 ， m m； R n 外壁半径 ， mm； P i 内孔受力 ， MP a ； p 。 夕 孔受力 ， MP a 。 对于齿孔仅受 内压 ，有 p i ， P o O ， l ， 2 ， E E 2 且 r R i d ／ 2 ， 故 1 4 Ro - Ri 1 一 5 R0 一Rj 根据过盈量与齿孔变形前后 的变形协调条 件可以 求出内压力 P为 广 6P ■ _0 i R o - Ri 式 中 过盈 量 ， m m。 由 T r e s c a 屈服条件 ． 有 0一O“r m O “ 7 式中o r 钻头本体材料的屈服极限， MP a 。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ NO ． 1 2 ． 2 0 1 3 可得弹性极限载荷p 。 与塑性极限载荷 p 。 为 鲁 ] ㈣ p p o r l n 9 由式 6 和式 8 可得弹性极限下的最大过盈量 为 酱 嚣 ， 由式 6 和式 9 可得塑性极限下的最大过盈量 为 等[器卟鲁 ⋯ 由此 ． 可知齿孔状态判断依据为 1 时 ， 齿孔处于完全弹性状态 ； 2 时 ， 齿孔处于弹塑性状态 ； 3 时， 齿孔处于完全塑性状态 。 钻齿采 用 YG类 硬质 合金 材料 ．钻 头本体 采用 2 0 N i 4 Mo材料 。 将 2 ． 1 x l 0 e 5 MP a ， ／ “ 2 0 ． 3 ， R o 0 ． 0 1 0 m， i 0 ． 0 1 5 m， 。] l l 6 0 MP a代 入式 1 0 和式 1 1 ， 可 以 分别求得 0 ． 0 4 4 5 mm； 0 ． 0 6 4 9 mm。 另外一方面 ．潜孔柱齿钻头破岩还要求满足不脱 齿的条件 ．即柱齿与钻头本体齿孔 由于过盈表面的压 力产生 的摩擦力应该大于脱齿力 P T 。 根据波动理论 ， 潜 孔钻头工作时可能产生 的最大脱齿力为嘲 P T 【 E l P 1 E 2 P 2 J V o A 1 1 2 式 中 应力波传递损失系数 ， K 0 ． 8 5 ～ 1 ； V o 活塞冲击末速度 ， m ／ s ； P 2 一硬质合金与钻头本体的密度 ， k g ／ m ； A 硬质合金柱齿截 面积 ， m2 ； 柱齿 与齿孔之间的最大摩擦力为 2 r r R i ’ 1 3 式中- 厂 -摩擦系数 ； 固齿深度 ． mm； p ’ 固齿端的面压力 ， MP a 。 将气动潜孔锤钻头的参数 E 6 ．4 x l 0 e 5 M P a 、 V 7 ． 1 m ／ s o 1 1 4 5 0 0 k g ／ m 2 7 9 0 0 k g ／ m , f -- o ． 2 、 h 1 5 m m代 人可求得不脱齿的最小过盈量为 O ． 0 2 6 m m。可见最 小 不脱齿 的过盈量 远小于 弹塑性极 限条件下 的过盈 量 ， 说 明固齿均能满足不脱齿条件 。 根据固齿 的基本原则 齿孔处于弹塑性状态下固 齿能力最好 柱齿与齿孔之间的过盈量 取为 0 ． 0 4 5 0 ． 0 6 5 mm。 过盈量过大 ， 则全部或大部分齿孔处于完全 塑性状态 ． 在潜孔锤钻头工作过程中． 可能会导致钻头 本体胀裂 ， 进而造成 固齿力下降 过盈量太小 。 则 固齿 力不足以克服钻头破岩时的最大脱齿力 ．造成钻头很 快因掉齿而报废。另外 ． 越大的过盈量就需要越大的装 配力 ．过大的装配力可能会使硬质合金柱齿顶部产生 微裂纹或小的片 层 状破碎 。 由于相邻齿孔 的间距较小 ．且沿孔深方 向应力分 布不均匀 ， 实际齿孔是盲孔 ， 并非无限长孔 。假设厚壁 圆筒模 型与实际情况存在一定差异 ．因此有必要采 用 有限元方法对上述分析结果进行验证和修正。 2 柱齿 和钻头过盈量有 限元分析 2 ． 1 模型简化与基本参数 1 简化模型 齿孔过盈量一般在几十微米甚至更 大 从力学角 度上看 ， 应视为大位移问题。 由于柱齿的嵌入 ， 当过盈 6 达到一定时 ． 齿孔局部 区域发生塑性变形 ． 而离开孔壁 较远 的区域处于弹性状态。 出现弹塑性共存的局面。 考 虑到 以上 的情况 ， 齿孔过盈配合可视为 大位移 、 小应 变 。 小转动 。 且应力一 应变 的本构关系为非线性关系 ． 是 一 个双重非线性 问题潜孔钻头嗍 由于钻头模型轴对称 。 可以简化为二维。简化后 的 模型如图 3 所示 。 。 1．一 1 ．．J 钻头本体 D 图 3简 化 后 球 齿 与 钻 头 本 体 模 型 示 意 图 2 基 本参 数 钻齿采用 Y G类硬质合金材料 。弹性模量 E， 6 ． 4 x 1 0 e 5 MP a ， 泊松 比 0 ． 2 2 ， 抗 压强度为 4 6 0 0 MP a ； 钻 头 本体材料 2 0 N i 4 Mo 。 弹性模量 E ． 2 ． 1 x l 0 e 5 MP a ， 泊松 比 0 ． 3 ， 弹性极 限为 1 1 6 0 MP a 。 抗压强度为 1 4 9 6 M P a ， 摩 擦系数 0 ．2 。 柱齿半径 厂 1 0 m m。 固齿深度为 C B 1 5 ra m 。 齿孔半径为 r r - 6， 6为过盈量 。过盈 量 8变化区间 0 ． 0 1 ～ 0 ． 0 6 mm。从图 4中可以看出 ．在强化阶段当应力 ≥1 3 0 0 MP a后 ， 曲线迅速平缓 。因此 。 钻头本体材料 2 0 N i 4 Mo 调质的极限工作应力可定为 1 3 0 0 MP a ． 考虑到 19 液 压气 动与密封 ／ 2013年第12期 材料可能存在缺陷，取安全 系数n1．07 ～ 1．16，即弹塑性 极 限许用应力[0 r 。】 1120 1215MPa。本文取 中间值【盯 。】 1160MPa。 日 山 主 ＼ 盂 型 应 变／％ 图4调质20Ni4Mo应力 一 应变关系 2_ 2建模 、网格 划分 与约束加载 模型选用Planel8 2单元．划分网格并对接触的面 进行网格 细分设置接 触 为面 一 面接触 ，其 中接触目标 面为IH与H F ，接触面为BC。对JE与AK 进行对称约 束，K L与L D进行固定约束。最后对JI施加强迫位移， 如图5所示． D 图5网 格 划 分 与接 触 设 置 2．3仿真结 果与分析 在A NSYS中进行接触分析．并观察是否收敛．计 算收敛后的部分结果如图6、图7所示。 由图6和图7可知过盈量为0．04mm时，应 力 最 大值为108 8MPa，且出现在齿孔顶部的位置。另 一 个应 力较 大的位置在柱齿 拐角与齿孑L壁配合处。齿孔应力 的大小 随着远离齿孔壁而减小。 图6过盈量为0．02m m 时齿孔与柱齿的应 力云图 20 图7过盈■ 为0．04m m 时齿孔与柱齿的应力云图 通过对不同过盈量的柱齿与齿孑L配合进行接触仿 真分析，可以得到不同过盈量时，应力随着孔深变化 的 规律．如 图8所示。 1 1 皇 1 R 1 兰 h， 姐 冰 想 O24681012 14 16 齿孔深度／m m 过盈量 J ／mm _卜-0 01 一 O 02 一 0 04 O 05 * 一 O 06 一 * 一 极限 应力 图8不同 过盈量下 沿齿孔深 厦的 应 力变化 对比 由图8可知．随着过盈量 的增 大．齿孑 L壁各个位置 上的应力也相应的增大．当过 盈量在0．05m m最大应 力 值已经略微超过了极 限应 力值1160MPa．但是在齿孑L 壁的其他大部分地方 的应力却仍然小于1000MPa。继 续增大过盈 量 到0．06m m，也发现了类似的 问题。这说 明在0．05 。0 。06ra m过盈量时．齿孔大部分地方 处于弹 塑性变形．只是在齿孔顶部超过了弹塑性极 限。所以有 必 要在固齿 时对齿孑L的顶部．即齿孑 L口进行强化处理。 本 文假设齿孔为理想 圆柱体．得到的结果为齿孑 L的名 义 过盈量。考虑表面粗糙度 、加工误差等影响时，过盈 量可进行必要修正。 3结 论 大直径气动潜孔锤可以采用传统的弹塑性 力学计 算方法 或有限元分析方法 得到钻头钻齿和本体的过盈 量数值。通过有 限元仿真可以方便地得到过盈量、接触 应力及其变化情况 ．找出有可能破坏 的部位．如齿孔壁 顶端为危险部位。 参考文献 [1] 张 国桦，符夷雄，张汉斌，等 ．试论球齿钎头 的 固齿工艺[J J．金 属矿山 ，1995，113 - 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