馮利華，張洪軍，陳佳蕊，周翠紅

（1.中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司，河北唐山063000；2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617）

在鉆孔灌注樁施工過(guò)程中，反循環(huán)鉆機(jī)鉆頭的耐久性直接影響著鉆進(jìn)效率與施工成本。鉆頭力學(xué)特性研究核心內(nèi)容是鉆齒的靜力學(xué)和鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)的研究與應(yīng)用[1-2]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于上述內(nèi)容展開(kāi)了大量的理論研究，采用有限元分析方法對(duì)鉆頭單齒進(jìn)行力學(xué)分析[3-4]，并且建立了鉆頭破巖模型以研究鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)破巖情況的影響以及鉆頭力學(xué)特性的分析[5-7]。通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)的鉆頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8，-9]。根據(jù)改變鉆頭影響因素探究其對(duì)于鉆進(jìn)過(guò)程的影響，為鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及鉆進(jìn)參數(shù)的選擇提供了依據(jù)[10]。

等比例縮小實(shí)際工程中使用的反循環(huán)，采用3D打印技術(shù)加工鉆頭模型，結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)鉆頭模型進(jìn)行鉆齒力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，探究加載同等力下不同模型的應(yīng)變大小及分布情況，從而得出最優(yōu)鉆齒耐用模型。對(duì)優(yōu)化鉆齒結(jié)構(gòu)參數(shù)、降低施工成本具有一定指導(dǎo)意義。

1 鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

以某地鐵暗挖洞樁法施工車站反循環(huán)鉆機(jī)樁基成孔為研究背景，該站主要穿越的地層為粘土層和卵石層。如圖1所示，反循環(huán)鉆機(jī)三翼頭在鉆進(jìn)到大卵石地層時(shí)易出現(xiàn)鉆桿堵塞及鉆齒的磨損情況，需要及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)的工作參數(shù)與地層相適應(yīng)。為提高反循環(huán)鉆機(jī)三翼鉆頭鉆齒的耐用性、減少鉆齒的磨損情況，有必要對(duì)三翼鉆頭的鉆齒進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 鉆機(jī)堵桿、鉆機(jī)卡鉆、鉆尖磨損

2 單齒彈性應(yīng)變模擬

對(duì)不同參數(shù)的鉆頭模型進(jìn)行模擬，以研究鉆頭模型在加載同等大小載荷時(shí)鉆齒所能承受的彈性應(yīng)變強(qiáng)度。三種鉆頭模型參數(shù)如表1所示，為實(shí)驗(yàn)中鉆頭的加工與荷載加載提供依據(jù)。對(duì)模型1、模型2和模型3鉆尖處分別施加300～1200N荷載，進(jìn)行靜態(tài)單齒模擬受力模擬研究。模型1、模型2與模型3單齒模型的彈性應(yīng)變強(qiáng)度分布情況如圖2所示。

表1 鉆頭模型參數(shù)

圖2 鉆頭彈性應(yīng)變強(qiáng)度

表2所示為三種模型平均彈性塑性應(yīng)變強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)加載不同力下的單齒模型所受的彈性應(yīng)變強(qiáng)度隨著加載力增大而逐漸增長(zhǎng)。加載300～1200N載荷過(guò)程中，模型2的彈性塑形應(yīng)變強(qiáng)度遠(yuǎn)小于模型1與模型3，表明模型2的單齒模型結(jié)構(gòu)有較好承受載荷的能力。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

表2 彈性應(yīng)變強(qiáng)度

依靠3D打印設(shè)備MakerBot Replicator對(duì)鉆頭模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、修正結(jié)構(gòu)參數(shù)，在保障金屬鉆頭模型結(jié)構(gòu)合理性的同時(shí)極大地減少模型加工成本，打印過(guò)程如圖3所示。

HK21B殘余應(yīng)力檢測(cè)儀用于測(cè)量靜力強(qiáng)度及材料變形的應(yīng)力分析研究。為探究鉆頭單齒在外力作用下的力學(xué)特性，采用HK21B殘余應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)金屬鉆頭模型產(chǎn)生的微應(yīng)變大小進(jìn)行分析。

使用WDW電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓縮輔具完成試件的壓縮試驗(yàn)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)中橫梁，帶動(dòng)壓縮輔具上半部分縱向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)力的加載與卸載輔助完成力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)模擬結(jié)果，確定了影響應(yīng)變的主要參數(shù)為鉆尖角度、鉆齒護(hù)臂夾角、直徑。對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)的單齒鉆頭模型進(jìn)行打印，修改鉆頭模型參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理處。在外制作金屬鉆頭模型，每種參數(shù)模型分別制作3個(gè)(共9個(gè))，以降低金屬鉆頭模型在加工時(shí)造成的不可避免的人工誤差。

圖3 MakerBot Replicator

打印的3D鉆齒模型及加工的金屬鉆頭模型如圖4所示。在進(jìn)行預(yù)加載實(shí)驗(yàn)之前還需對(duì)鉆頭進(jìn)行表面清洗、涂膠粘貼應(yīng)變片、導(dǎo)線焊接等預(yù)處理操作。同一模型進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)取平均數(shù)值，共27組實(shí)驗(yàn)，總計(jì)108個(gè)數(shù)據(jù)。

圖5為壓縮輔具對(duì)鉆頭模型加載力過(guò)程。先加載0～300N的荷載，保載300N的荷載15s，記錄檢測(cè)儀的讀數(shù)；接著分別加載0～600N、0～900N、0～1200N的荷載保載15s，記錄檢測(cè)儀數(shù)值。每個(gè)模型重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄檢測(cè)儀讀數(shù)，得到鉆頭受力后的應(yīng)變值，每個(gè)模型重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。模型3-鉆頭3在實(shí)驗(yàn)中折斷，有效實(shí)驗(yàn)次數(shù)共計(jì)為96次。

圖4 3D打印鉆齒模型及加工鉆齒

圖5 加載力過(guò)程

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析

對(duì)模型1(45°-45°-13mm)制作的3個(gè)鉆頭模型，根據(jù)模擬結(jié)果分別加載300N、600N、900N和1200N的荷載，讀取檢測(cè)儀讀數(shù)，每個(gè)鉆頭模型重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)。模型1-鉆頭1平均微應(yīng)變分別為：12.94、23.17、33.65、47.52。模型1-鉆頭2微應(yīng)變分別為：12.46、24.42、39.77、49.04。模型1-鉆頭3微應(yīng)變分別為：10.98、18.04、28.75、40.79。鉆頭3所受的微應(yīng)變有少許偏差，分析可能為在制作鉆頭3時(shí)存在少許人工誤差。

對(duì)模型2(60°-67.5°-12mm)制作的3個(gè)鉆頭模型重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，模型2-鉆頭1平均微應(yīng)變分別為：7.79、15.88、20.75、28.31。模型2-鉆頭2微應(yīng)變分別為：8.52、17.33、27.56、36.83。模型2-鉆頭3微應(yīng)變分別為：9.77、18.81、28.81、38.10。鉆頭1微應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)相比鉆頭2、3較慢，分析為制作鉆頭1存在一定差異。

對(duì)模型 3(45°-90°-11mm)制作的 3 個(gè)鉆頭重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，模型3-鉆頭1平均微應(yīng)變分別為：14.40、27.31、40.89、54.17。模型3-鉆頭2微應(yīng)變分別為：15.15、31.25、46.40、61.73。其中模型3-鉆頭3在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中損壞。

三種鉆頭模型所受平均微應(yīng)變?nèi)绫?所示。加載同等大小荷載，鉆頭模型2(60°-67.5°-12mm)受力變形后產(chǎn)生的平均微應(yīng)變最小，說(shuō)明該鉆頭模型比其他兩種模型結(jié)構(gòu)所受的形變更小，能有效減少鉆頭的變形情況，更適用于在砂卵石地層進(jìn)行鉆進(jìn)，具有鉆進(jìn)效率高、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)。選擇合理的鉆頭結(jié)構(gòu)，確定適宜的鉆進(jìn)速度，可以有效地提升鉆齒破碎卵石的效果，減少鉆進(jìn)過(guò)程磨損，提高施工效率。

表3 三種鉆頭在加載不同荷載下的平均微應(yīng)變

5 結(jié)論

在單齒模擬的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了3種縮小五倍的3D打印鉆齒模型并加工，探究加載同等力下不同模型的應(yīng)變大小及分布情況，得出以下結(jié)論：

（1）三翼鉆頭單齒試樣在不同大小穩(wěn)定載荷作用下，微應(yīng)變變化情況較為顯著。在單齒試樣所能承受的范圍內(nèi)，鉆齒所受微應(yīng)變與設(shè)備的加載力呈正相關(guān)。

（2）在3D打印設(shè)備支持下可以直觀看到加工模型的外觀，及時(shí)修正不合理的參數(shù)，對(duì)金屬鉆頭模型的加工制造起到一定的指導(dǎo)作用，降低加工成本。

（3）模型2的單齒模型結(jié)構(gòu)有較好承受載荷的能力，最優(yōu)鉆齒耐用模型：鉆角為60°、鉆齒與護(hù)臂夾角為67.5°、鉆齒直徑為12mm。在同等荷載作用下應(yīng)變更小，能有效減少鉆頭的變形情況、更適用于在砂卵石地層進(jìn)行鉆進(jìn)。