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为研究岩石切削过程中刀具的力学特性以及刀具平均峰值作用力的预测,基于断裂力学和有限元理论建立了岩石切削的数值模型。模拟分析岩石对刀具的反作用过程,得到不同力学特性岩石和刀具作用条件下刀具所受的反作用力,结果表明,冲击速度在一定范围内对刀具平均峰值作用力影响较小;岩石体积呈阶跃性递减,刀具作用力大小与崩落岩石碎片体积变化一致。对模拟、实验以及已有理论计算得到的刀具平均峰值作用力进行线性回归分析,研究结果表明,数值方法计算结果与实验结果、Goktan[1]理论计算结果的线性相关系数分别为0.812、0.930,相关性较好,表明所建数值模型用于模拟岩石切削是正确和可靠的。 相似文献
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从组合切削具将在岩石中产生预破碎区的论点出发,通过实验定量研究了预破碎区深度与掏槽刃切入深度的关系,得出了预破碎区有利于降低岩石强度及岩石破碎能耗的结论,并用生产试验结果进行了验证。提出了孕镶金刚石钻头钻进Ⅶ～Ⅷ级硬岩时仍存在预破碎区和切削、微切削破岩方式,以及预破碎区并非越大越好的学术观点。 相似文献
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超声波振动碎岩技术作为解决硬岩钻进难题的新方法,其技术可行性受到国内外学者的大量验证,但是对于超声波振动下硬岩破碎机理的认识还存在不足。超声波振动下岩石表面径向响应位移与内部损伤状态存在着必然的联系,本文通过监测岩石在超声波振动过程中表面不同深度处的径向响应位移,利用应力波传播理论从能量耗散角度分析了岩石表面不同深度监测点径向响应位移的时空演化与岩石内部损伤发展的关系,得出超声波振动下岩石损伤主要由振动头高频冲击岩石造成的Hertz锥形环状裂纹和超声波振动交变应力产生的疲劳拉伸裂纹造成的,Hertz锥形环状裂纹的扩展深度为10 mm,疲劳损伤裂纹主要在10~20 mm深度处产生,超声波振动下岩石发生局部宏观破碎前存在着明显的径向响应位移征兆,岩石表面径向响应位移可以作为超声波振动下的破坏判据。本文的研究对于丰富超声波振动下硬岩的破碎机理具有重要意义。 相似文献
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采用细观力学研究了岩石损伤变形过程和渗流过程。在本构模型中增加了对剪胀变形机理和渗流对变形影响的内容，同时按照微裂纹发展过程建立了考虑微裂纹扩展、变形和渗透压影响的岩石各向异性渗流模型，使得模型能够更好地表述岩石的变形特性和渗流特性。所建立的模型能够考虑微裂纹闭合摩擦滑移、微裂纹发生自相似扩展和微裂纹发生弯折扩展等过程。 相似文献
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PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。 相似文献
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化学气相沉积（ＣＶＤ）金刚石薄膜的面市，为钻进岩石选用新型切削具开辟了新设计途径。其功能明显地表现在：（ａ）良好的均匀磨损机制；（ｂ）高温下钻进效果好；（ｃ）热导率高；（ｄ）与其他材质易于形成层状结构。用碳化钨钨钴硬合金片（ＴＣ）、热稳性聚晶（ＴＳＰ）、金刚石聚晶复合片（ＰＣＤ）制成的多层切削具，为设计制造新式钻头提供以下功效：（ａ）在硬而裂隙岩石中钻进能抗冲击载荷；（ｂ）可进行抗热设计以限制切削 相似文献
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锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化... 相似文献
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复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明：复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲... 相似文献
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自由边界形状与近边界裂纹相互作用模型研究 总被引：2，自引：1，他引：1
大量的研究表明, 岩爆发生条件与岩石的力学性能有关。岩体中微裂纹的形成、扩展和汇合对岩体的力学性能产生显著影响，可以导致材料的逐渐劣化直至破坏。对于单轴压缩的岩石试件，其破坏型式主要是微裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展。基于断裂力学机制，对单轴压缩荷载下3种不同边界形状，即直边、凸形、凹形情况下近边界原生斜裂纹的扩展进行了理论研究，并运用FLAC数值模拟技术，建立了基于Interface界面单元的裂纹扩展数值模型。近直边界及凸形边界情况的裂纹扩展使用梁渐近模型来解析薄片岩层的屈曲断裂问题，对于近凹形边界情况给予简化，提出了裂纹－圆－椭圆相互作用的修正模型并进行理论分析。研究结果表明，基于Interface界面单元的裂纹扩展的数值模型正确，解析解与数值解吻合较好，相应的梁渐近模型及裂纹-圆-椭圆模型可以合理地分析应力调整过程中裂纹的扩展和裂纹与不同洞室表面形状的相互作用问题，为岩爆工程及理论研究提出了新的理论依据。 相似文献
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结合外载碎岩基本现象，对旋挖碎岩基本过程进行分析，得出其在回转钻进情况下的螺旋破碎的碎岩形式。然后根据岩石破碎时的压入条件，以单个截齿为研究模型，得出轴向压力的理论计算公式，继而参考库伦纳维的内摩擦理论，得出了切削力的理论计算公式。根据不同钻具形式，将单个截齿的计算公式扩展，得到了旋挖钻机压力和扭矩参数的计算公式。将轴向力与切削力计算公式中在特定工况下的影响因子简化，得出了旋挖钻机钻进过程中进尺速度与切削力的理论关系。最后利用LS-DYNA动态分析软件模拟了单个截齿在不同侵深条件下的切削力变化曲线，并将曲线与同等工况下理论计算的曲线进行对比，得出单个截齿的入岩参数理论计算公式。可为入岩旋挖钻机设计提供参考。 相似文献
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从岩石宏观裂纹变化出发，研究孕镶金刚石钻头在钻进过程中由于岩体裂纹的影响而造成的断裂问题。运用岩石断裂力学理论，结合钻头实际工作条件，简化应力、水力及裂纹条件，建立了简化的岩石断裂等效模型，从理论上分析了一种新型栅格胎体孕镶金刚石钻头的破岩机理。研究结果表明:与常规的钻头相比，新型钻头的特殊栅格结构能有效提高钻压，比压由原来的68.03 kgf/cm2增加到了113.33 kgf/cm2，提高了将近67 %，使钻头能更有效地压入岩体，产生破碎穴及裂纹；特殊的栅格结构有利于冲洗液的储存，改善了金刚石颗粒的冷却效果，从而以更加有利的拉裂破坏方式破碎岩石。 相似文献
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PDC锚杆钻头回转钻进的力学特性与试验 总被引：1，自引：0，他引：1
针对煤矿巷道锚固孔快速精准钻进的施工需求，通过建立PDC锚杆钻头回转钻进力学模型，对其主要力学影响因素进行了理论分析。结果表明:PDC切削齿轴向力随压入深度的增大而增大，随切入角的增大表现出先减小后增大的趋势；当煤系岩石摩擦系数f为0.20~0.43时，可得最优切入角为15.0°~18.3°，此时在相同压入深度条件下轴向力和切向力最小。并进一步结合煤系岩石的力学特性，提出了PDC切削齿作用下的岩石破碎条件，得出不同压入深度时轴向力和切向力的关系。利用自主研发的钻进试验台对模拟岩样进行了钻进试验，试验结果验证了PDC锚杆钻头回转钻进力学模型的正确性。研究结果为PDC锚杆钻头优化设计，锚固孔钻进效率与精度的提高，以及钻进轴向力和切向力的变化预测等提供了理论依据。 相似文献
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Zhang Xuhui Wu Junjie Hu Dingbang He Miaolei Xia Yimin 《Geotechnical and Geological Engineering》2021,39(6):4581-4591
To compare the rock breaking performances caused by the arc and wedge hob with two blades, a rock cutting model with two hob blades is established and a series of rock cutting simulations are performed based on the particle flow code. Meanwhile, the rock breaking process, crack extension pattern, rock cutting force and rock cutting efficiency etc. are investigated in this study. The results present that the rock breaking area and the lateral crack length induced by the arc blades is much greater than that induced by the wedge blades. The optimal cutting spacing of the arc and wedge blades is 60 mm and 30 mm respectively. It confirms that the wedge blades can significantly reduce the rock cutting force and raise the rock cutting efficiency compared with the arc blades, which can provide a reference for the hard rock tunneling by the tunnel boring machine.
相似文献15.
PDC钻头综合受力模型的试验研究 总被引：1，自引：0，他引：1
模拟钻头上的切削齿的不同的切削断面形状、重叠切削状态及磨损状态，利用PDC切削齿对多种岩样进行了切削试验，研究了切削面积、接触弧长、切削齿后倾角、岩石抗钻强度、切削齿磨损高度等因素对PDC切削齿受力的影响规律。结果表明，切削面积相同情况下切削齿受力随接触弧长、岩石可钻性极值、切削齿磨损高度分别呈线性，幂函数和指数函数趋势变化；切削齿受力最小的后倾角在5～10°区间内。引入弧长系数、磨损高度系数，建立了PDC切削齿综合受力模型。根据力的平衡原理，推导得出完整的PDC钻头受力计算模型，为PDC钻头优化设计和合理使用提供了理论依据。 相似文献
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根据刃具斜切入破岩的一些试验研究成果，分析了大切削量钻头的钻进过程，推导出了大切削量钻头进行回转钻进的机械钻速公式。 相似文献
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Indentation-induced cracking may have many implications in rock drilling and cutting processes. In the present work, cyclic indentation tests have been conducted on Yunnan sandstones to investigate the deformation and failure process. Deformation fields on the sample surface have been obtained via the digital image correlation (DIC) technique. It has been found that the macroscopic force–indentation curve exhibits hysteresis and the residual displacements increase during the loading–unloading cycles. Furthermore, a median crack has been observed to nucleate, running almost parallel to the loading axis when the indentation force amounts to a critical value. Such a crack always results in the final failure of the sandstone samples. Experimental analysis reveals the deformation and failure mechanism of sandstone during cyclic indentation. By the DIC technique, the displacement distribution along the crack surface can be easily calculated and, hence, the fracture parameters, such as crack opening displacement and fracture toughness. 相似文献