钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析
周琴1,2, 张在兴1,2, 张凯1,2, 郑国敬1,2, 何录忠1,2
1.中国地质大学(北京)工程技术学院
2.国土资源部深部地质钻探技术重点实验室
通信作者:张在兴,1996年生,硕士研究生;主要从事岩石破碎方面的研究工作。地址:(100083)北京市海淀区学院路29号。E-mail: 17685936273@163.com

作者简介:周琴,女,1970年生,副教授,博士;主要从事岩石破碎、井下机具、井下密封技术等方面的研究工作。地址:(100083)北京市海淀区学院路29号。ORCID: 0000-0001-8641-4818。E-mail: zhqtg@cugb.edu.cn

摘要

钻头切削齿是破碎岩石的核心部分,在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热,导致切削齿温度升高,目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面,但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明晰。为此,在自制的MDES 2000微钻平台上,开展了砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩等4种典型岩石的钻进试验,基于岩石破碎力学模型和数值分析结果,探讨了岩石特性对切削温度的影响程度并进行机理分析。研究结果表明:①在相同的钻进参数下,岩石强度直接影响不同岩石钻进深度,导致岩石破碎模式(塑性、脆性)的转变,从而造成不同岩石切削温度的波动差异,砂岩、大理岩发生塑性破碎,温度波动范围约为±0.5 ℃,而花岗岩、玄武岩则发生脆性破碎,切削齿温度波动范围约为±1.5 ℃;②岩石强度是影响切削温度温升速率变化的重要因素,强度越大所需切削力越大,产生切削热增加,导致4种不同岩石钻进时温升速率随岩石强度的增加而逐次递增;③岩石破碎力学模型和前、后刀面温度分析结果表明,切削齿前刀面起主要的切削作用,是造成不同岩石的切削温度波动程度的主要因素。结论认为,钻进试验与数值模拟所得到的温度变化趋势基本吻合,该成果可以为钻头切削齿工作寿命研究提供借鉴和参考。

关键词: 岩石特性; 钻进试验; 破岩机理; 温升速率; 温度波动; 力学模型; 破碎模式; 数值分析
Temperature variation tests and mechanism analysis of rock breaking by bit cutters
ZHOU Qin1,2, ZHANG Zaixing1,2, ZHANG Kai1,2, ZHENG Guojing1,2, HE Luzhong1,2
1. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. MLR Key Laboratory on Deep Geological Drilling Technology, Beijing 100083, China
Abstract

A bit cutter is the core component to break rocks. Most of the work done in the process of rock breaking is converted into cutting heat, which increases the temperature of the cutter. The current research results on the influential factors of cutter temperature mainly focus on cutting depth, cutting speed and cutter structure, etc., while the influence degree and mechanism of rock characteristics on the cutter temperature have not been clarified yet. For this reason, this paper carried out a drilling test of four typical types of rocks, including sandstone, marble, granite and basalt, on the independently made MDES 2000 micro-drilling platform. Then, based on rock breaking mechanics model and numerical analysis results, the influence degree of rock characteristics on the cutter temperature was discussed and the influence mechanism was analyzed. And the following research results were obtained. First, with the same drilling parameters, the rock strength directly influences the drilling depth of different rocks, which leads to the transformation of the rock breaking mode (plasticity and brittleness), resulting in different cutter temperature fluctuations in different rocks. When plastic crushing occurs in sandstones and marbles, the temperature fluctuation range of the cutter is about ±0.5 ℃; When brittle crushing occurs in granites and basalts, the temperature fluctuation range is about ±1.5 ℃. Second, rock strength is an important factor influencing the rise rate of cutter temperature. Higher rock strength requires stronger cutting force, causing the increase of cutter temperature, so the temperature rise rate is increased gradually with the increase of rock strength in the process of drilling the four types of rocks. Third, the rock breaking mechanics model and the analysis results on the temperature of rake face and flank face show that the rake face of cutter plays an important role in cutting and it is the main factor leading to different fluctuation degrees of cutter temperature in different rocks. In conclusion, the temperature change trend in the drilling test is basically consistent with numerical simulation results. These research results can provide reference for the studies on the service life of bit cutters.

Keyword: Rock characteristics; Drilling test; Rock breaking mechanism; Temperature rise rate; Temperature fluctuation; Mechanical model; Breaking mode; Numerical analysis
0 引言

钻头广泛应用于地质勘探、矿山开采以及油气钻井等岩石破碎领域[1], 在破碎岩石过程中切削力做的绝大部分功都会转换成切削热, 导致出现切削齿的温度升高现象[2]。温度过高不仅会在切削齿内部产生较大的热应力, 还会造成切削齿变形、磨损加剧, 使钻头的切削性能下降, 甚至会使钻头过早失效[3]。在油气等资源的勘探开发过程中, 钻头经常需要破碎含有花岗岩、砂岩等不同类型岩石的复杂地层[4, 5]。因此分析岩石特性对钻头切削齿温度的影响, 对进一步提高钻头切削齿工作寿命具有重要的意义。

国内外众多学者都对切削参数、切削齿结构参数对切削温度影响开展了研究, 其中切削参数是影响切削过程中温度变化的重要因素。孟昭等[6]通过室内PDC单齿破岩试验, 研究了PDC切削齿几何参数(前倾角)对钻进效果的影响。Shao等[7]切削砂岩时发现切削齿温度与切削深度、切削速度呈现正相关性。张丽秀等[8]建立二维切削齿—砂岩动态仿真模型, 研究发现切削深度对切削齿温度的影响明显。谭青等[9]建立有限元模型分析切削深度、切削速度对前、后刀面温度变化的影响。切削齿的结构对温度场分布密切相关。Kim等[10, 11]发现切削齿齿形对切削齿温度存在影响, 当岩—齿接触面积较大时对温度的影响更加明显, 切削齿圆弧半径的增加促进岩石的二次破碎, 影响切削齿的寿命以及温升程度[12]

不同种类的岩石会对切削齿的受力、磨损及损坏等产生不同的影响。杨迎新等[13]开展了5种岩石在不同钻压下的微钻头钻岩试验, 试验数据表明变压可钻性级值与钻压之间呈线性关系, 提出了采用钻压分档测试、当量转化分级或分档独立分级的可钻性测试与分级新方法。Hoover等[14]发现切削齿在切削砂岩时具有良好的切削性能以及较低的磨损率, 但当切削花岗岩时切削齿的切削性能较差而且易磨损。夏毅敏等[15]研究发现岩石特性不仅会影响刀具的磨损量, 还会对刀具的载荷以及振动产生影响。Warren等[16]通过对钻头受力状态分析, 发现不同岩石强度的改变会引起显著的冲击载荷, 导致钻头失衡, 甚至会损坏钻头。郑国敬等[17]从切削齿上温度分布特点、峰值温度的变化等方面探讨了切削过程中圆弧齿刀刃半径对切削温度的影响。杨开新等[18]分析了破岩时切削刀具受力与岩石特性的密切相关性, 强度越大刀具受力越大。He等[19]发现岩石强度不仅能够影响切削力的大小, 也能够影响岩石破碎方式转变的临界深度。Liu等[20]通过压痕试验和红外热成像方法确定岩石损伤区域的大小, 发现相同切削条件下花岗岩与砂岩的损伤区域存在差异。目前绝大多数的研究都关注于不同岩石特性对切削齿的磨损、损坏以及岩石损伤等的影响, 以及切削深度、切削速度等不同切削参数以及切削齿结构对切削齿温度的影响, 但对于岩石特性对切削齿温度的影响和机理尚不明晰。

为此, 笔者通过在微钻平台上4种典型岩石(砂岩、大理岩、玄武岩以及花岗岩)钻进试验, 研究岩石特性对切削齿温度变化及规律的影响, 通过数值分析进一步探究岩石特性对切削齿受力以及温度变化规律的影响, 发现不同岩石特性会影响岩石破碎的破碎模式(塑性、脆性)和破碎过程, 使得切削齿受力大小以及波动幅值发生变化, 进而改变切削齿的温度变化及规律。

1 岩石钻进试验
1.1 微钻平台

搭建MDES 2000型微钻平台[21], 如图1所示, 主要由动力装置、移动平台以及旋转机构3部分组成。该装置不仅能够实现对钻进过程中转速、钻压以及扭矩等钻进参数的监测、采集和处理, 还能提供0~5 kN的钻压以及0~1 000 r/min的转速, 能够满足试验需求。

图1 MDES 2000型微钻平台结构示意图及局部图

动力装置:伺服电机提供进给动力, 异步电机提供旋转动力。伺服电机、丝杠组成进给机构实现钻杆钻头的上下进给运动。

移动平台:通过由齿轮减速电机、链轮—链条构成的移动平台机构可以调整钻孔水平位置; 旋转机构主要由异步电机、旋转平台以及固定装置组成(图2), 能够实现岩石样品的旋转运动; 试验过程中, 岩石样品通过定位螺栓固定。通过钻头钻杆完成上下进给运动, 岩石样品完成旋转运动, 能够避免热电偶的缠绕。

图2 旋转机构图

1.2 切削工具

钻头切削齿材料为硬质合金YG8, 钻头由4个切削齿组成, 钻头外径为37.4 mm, 内径为16.3 mm, 如图3-a所示。为提高切削温度测量的准确性, 在钻头切削齿上加工直径为1.1 mm的孔。

图3 取心钻头模型以及热电偶的安装位置

1.3 温度测量系统

根据钻头切削齿温度测量准确性和可靠性的要求, 热电偶的安放位置距离切削齿底平面为2 mm, 如图3-b所示, 要求热电偶在较小的误差内进行数据采集, 而且能够在1 000 ℃下长期实时检测温度的变化。根据试验的工作环境以及测量温度范围, 选取直径为1 mm的K型热电偶, 该热电偶误差0.2 ℃, 测温范围0~1 300 ℃, 满足试验测量温度范围和精度要求, 并且能够适用于狭小空间内的温度测量。选用ZYW13ORG型无纸记录仪作为温度数据采集储存器, 该记录仪可以同时采集和存储4组温度数据, 能够较好地满足试验要求。

1.4 岩石样品及其力学性质

制备钻进试验所需的规则圆柱体试样, 岩石样品尺寸为:Ø75 mm×200 mm。通过对4种典型岩石进行力学性能测试以及根据本文参考文献[22]得到4种岩石参数具体参数, 如表1所示。

表1 岩石物理力学参数表

硬质合金切削齿密度15 000 kg/m3, 泊松比0.22, 弹性模量57.90×104 MPa, 比热230.0 J/(kg·℃), 热导率100 W/(m·℃)。

取样是资源勘探的有效方法, 根据钻进要求, 能够在小功率的条件下破碎岩石获取岩样[23], 该试验采用800 N的钻压, 转速100 r/min, 钻进时间为250 s, 在常温下钻进砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩4种不同类型的岩石, 并通过温度采集系统得到温度变化曲线, 探究岩石特性对切削齿温度变化规律的影响。

2 试验结果与数值模型的建立
2.1 试验结果

图4为钻进大理岩时4个切削齿的温度变化曲线。通过分析钻头切削齿的温度变化数据, 可以发现在钻进岩石的过程中, 由于切削齿在钻头上均匀分布, 存在相同的温度变化趋势, 而且齿2的温度值接近平均温度值, 因此将齿2温度作研究对象。

图4 钻进大理岩温度变化示意图

表2可知, 钻进不同岩石, 钻头切削齿温升程度、温升速率以及波动程度存在明显的差异, 具体表现在:①温升程度, Liu等[20]破碎砂岩、花岗岩时, 由于岩石种类不同, 岩石损伤区域温升程度存在差异, 而在微钻试验过程中, 钻进4种岩石钻头切削齿的温升程度也不同, 在钻进大理岩、砂岩时, 温度增幅相对较小, 而钻进花岗岩、玄武岩时切削温度增幅明显大于钻进大理岩、砂岩温度增幅; ②温升变化速率, 钻进花岗岩、玄武岩时温度的增长速率大; 钻进砂岩、大理岩时, 温升速率相对较小, 在钻进一段时间后, 温升速率显著下降, 温度较缓慢的增长甚至达到平衡状态; 如图4中钻进大理岩的温升曲线, 在钻进200 s后, 其温度缓慢的升高, 而钻进花岗岩、玄武岩的温度仍然以较大速率增长, 说明达到相对平衡时的温度值大于钻进砂岩、大理岩相对平衡温度值。③温度波动程度, Shao等[7]进行线切削砂岩试验中, 发现切削参数会影响温度的波动程度, 而通过钻进4种典型岩石试验, 同样发现温度并非呈线性增长, 而是波动增长, 说明岩石种类不同, 温度波动程度也会不同, 钻进玄武岩时的温度波动±1.5 ℃, 钻进砂岩温度波动幅度相对较小, 约为±0.5 ℃。

表2 钻进4种典型岩石试验记录结果表

表2可以明显得出, 在钻进砂岩、大理岩时, 钻速较为稳定, 分别为0.119 mm/s、0.111 mm/s; 钻进花岗岩、玄武岩时, 钻速较小, 平均钻速约为0.036 mm/s、0.029 mm/s, 钻速降低70%, 而且钻进100 s后, 钻进深度几乎不再增加。已有研究表明[24], 机械钻速与岩石强度有较好的负相关性, 岩石强度越大, 钻进速度越小。岩石强度等岩石特性对破碎过程影响明显, 而破碎过程的差异可能对温度的变化产生影响。

通过钻进试验发现, 由于岩石种类的不同钻头切削齿的波动程度、温升程度以及速率有明显的不同。因此建立数值模型, 进一步探究岩石特性对温升程度、速率以及波动的影响。

2.2 数值模型的建立

切削齿是钻头的核心单元, 切削齿在钻头上均匀分布, 并且主要由它完成切削岩石, 所以切削齿性能与寿命往往决定钻头的切削性能和寿命。为方便计算和分析做出以下假设:①由于切削齿硬度和强度远高于岩石, 设置切削齿为刚体并忽略齿宽的影响; ②岩屑流动性良好, 单元格失效后立即删除; ③岩石采用各向同性损伤模型。

根据岩石、切削齿参数(表1)以及岩石钻进参数建立破碎岩石的单齿切削模型。钻头直径为37.4 mm, 转速为100 r/min, 根据线速度与转速的转化v=2π Rn/60(R为钻头半径, n为钻头转速, v为切削速度), 定义切削齿沿x轴方向的切削速度为0.2 m/s; 根据取芯钻头切削齿齿形, 定义切削齿前倾角0°, 后倾角10°, 由于钻进试验在常温下进行, 预加温度场20 ℃。本文的钻进为无水条件下的钻进试验, 因此试验研究和数值模拟均为无水条件下的碎岩切削过程, 钻头冷却主要依靠岩屑的排出带走, 没有其他冷却手段; 设置切削齿与岩石的接触为面与面接触, 法向定义为硬接触, 切向定义为库仑摩擦模型, 摩擦系数为0.3。热传导只依赖设置的间隙数据, 并设置接触对传入岩石与切削齿的热量相等[25]

通过数值结果可得, 模拟破碎不同类型岩石, 切削齿的温度波动程度、温升速率都存在明显的差异:破碎花岗岩、玄武岩时的温度升高快, 达到稳定期时的温度也相对较高, 并且温度波动明显加剧, 数值分析结果与钻进试验有相同的变化趋势, 这与岩石特性的差异有关。

3 分析与讨论
3.1 不同特性岩石对温升速率和温升程度影响分析

图5为岩石破碎时切削齿以及剪切面的力分布力学模型。对4种典型岩石的钻进试验发现, 钻进不同的岩石, 发现切削齿的温升程度以及温升速率存在较大差异, 这与破碎过程中切削齿受力不同有关, 因此建立岩石破碎力学模型。图5中α表示切削齿后倾角, (°); θ 表示切削齿剪切角、v表示切削齿切削速度, m/s; L1L2分别表示前刀面、后刀面的接触长度, m。

图5 切削力模型示意图[26, 27]

破碎过程中切削齿前刀面与岩屑相互作用产生摩擦力, 并且摩擦力做功形成第Ⅱ 产热区; 后刀面由于磨损形成磨损平面, 而且切削齿后刀面主要受摩擦力的作用, 温升也主要来源于后刀面的摩擦产热形成的第Ⅲ 产热区。

综上分析可得切削齿前、后刀面的温度与其所受摩擦力息息相关, 前、后刀面摩擦力表达式:

$F_{f1}=F_{n}\cos\gamma -F_{t}\sin\gamma$(1)

$F_{f2}=\mu F_{n}$(2)

式中FnFt分别表示轴向力、切向力, N; µ 表示切削齿与岩石的摩擦系数; Fs表示剪切面上的剪切力, N; Ff1Ff2分别表示切削齿前刀面、后刀面的摩擦力, N。

从式(1)、(2)中可以看出:当切削力Fc增大, 前、后刀面的摩擦力都将相应的增大, 产生的摩擦热增多, 导致切削齿刀面温度升高。

通过数值模拟得到切削4种典型岩石时切削力, 如图6所示, 岩石种类的不同导致破碎岩石切削力的大小存在明显差异。

图6 模拟切削不同岩石切削力的变化示意图

剪切破坏是形成岩屑并破碎岩石的内在机制[28, 29, 30, 31], 而Mohr-Coulomb准则是岩石力学中简单而又应用广泛的准则[32]

$\tau_{s}=\sigma \tan \varphi +c$ (3)

岩石强度是影响切削力的重要因素, 而内摩擦角是岩石剪切强度的重要指标[33], 如式(3)所示, 岩石剪切强度与内摩擦角呈正相关性; 破碎4种岩石的切削齿受力变化趋势(图6)发现, 花岗岩、玄武岩内摩擦角较大, 切削力明显比切削砂岩、大理岩的切削力大, 与理论分析基本吻合。为了进一步研究切削力与内摩擦角的关系, 对平均切削力与内摩擦角进行拟合, 拟合关系如图7所示。由图7可知, 平均切削力与内摩擦角呈指数关系, 与本文参考文献[1]的研究有相同变化趋势, 也证明该数值模型具有可行性。

图7 切削岩石的平均切削力与内摩擦角的拟合关系示意图

综上所述, 在破碎岩石的过程中, 由于岩石特性不同, 岩石强度随内摩擦角的增大而增大, 破碎岩石强度大的岩石需要相对较大的切削力, 从而产生更多的切削热, 进而使切削齿的温度更高。与试验结果一致, 钻进砂岩, 切削齿温升为68.2 ℃, 温升速率0.27 ℃/s; 钻进大理岩切削齿的温升141.7 ℃, 温升速率为0.57 ℃/s, 而钻进花岗岩、玄武岩切削齿温升依次为177.1 ℃、228.9 ℃, 温升速率为0.71 ℃/s、0.92 ℃/s, 钻进岩石强度较大的花岗岩、玄武岩时的温升程度以及速率明显大于大理岩、砂岩的温升程度以及速率, 因此剪切强度增大导致破岩所需切削力增大, 是造成温度明显增加的主要原因。

为了进一步研究岩石特性对切削齿温度的影响, 通过式(1)、(2), 应用平面热源法, 推导出钻头切削齿前、后刀面平均温度解析式:

$\overline{T_{前}}=\tau_{s}\sqrt{\frac{vd\varepsilon}{\lambda cp}}B$ (4)

$\overline{T_{后}}==0.752\frac{q_{w}}{\lambda}\sqrt{\frac{aL_{2}}{v}}B$ (5)

式中qw表示摩擦热量, J; a表示热扩散系数, m2/s; λ 表示岩石的导热系数, W/(m·℃); c表示比热容, J/(kg·℃); ρ 表示密度, kg/m3; $q_{w}=\frac{F_{f2}v}{L_{2}w}$, w表示切削齿的宽, m; B表示材料常数, K; ε 表示岩屑的剪切应变(无量纲量)。

通过式(4)可以发现, 前刀面的温度与岩石强度呈正相关, 岩石剪切强度越大, 前刀面温度越高; 如式(5)所示:摩擦热直接影响与后刀面温度变化, 岩石强度增加, 切削力增大, 后刀面摩擦力也相应地增加, 产生的摩擦热增多, 导致后刀面温度升高。因此岩石强度是影响切削齿前、后刀面温度大小以及变化的重要因素, 但通过式(4)、(5)还发现切削温度的变化是多个影响因素综合作用的结果。

3.2 不同特性岩石对温度波动影响分析

从图8可以看出, 岩石的破碎模式不同具体表现在表面光滑度以及岩屑形状:①切削表面的光滑度, 相比于切削砂岩, 切削花岗岩产生的切削表面更加不平整, 形成的凹坑更加密集; ②岩屑形状, 数值模型中岩屑单元的颜色表示不同的损伤程度, 红色表示岩石单元被完全破坏, 蓝色表示岩石单元未受到损伤; 在切削砂岩(图8-a)、大理岩(图8-b)时, 岩屑中存在较少未损伤单元, 表示主要形成粉末性岩屑, 而在切削花岗岩(图8-c)、玄武岩图(8-d)时, 岩屑大多为未损伤单元, 表明形成的岩屑以块状岩屑为主。

图8 切削不同岩石破坏过程示意图

通过上述两个方面表明不同岩石破碎模式存在差异, 切削花岗岩、玄武岩发生脆性破碎, 而砂岩、大理岩发生塑性破碎, 祝效华等[34]同样发现在相同的切削条件下, 较软地层中岩石发生塑性破碎, 硬地层岩石发生脆性破碎, 而且较软地层中岩石切削力的变化幅值较小。

不同岩石破碎模式的差异与临界切削深度有关, 已有研究证明[35, 36]:岩石强度的不同导致岩石破碎方式存在差异。强度大的岩石更易发生脆性破坏, 而且发生脆性破坏的临界切削深度也相对小, 这也是造成在钻进花岗岩、玄武岩时, 即使钻进速度较小, 切削力波动更加剧烈的主要原因。

试验结果表明不同岩石钻进深度存在明显的差异, 即钻头的进尺量(切削深度)不同, 而切削深度的不同影响岩石破碎模式。切削深度小于临界切削深度时, 岩石发生塑性破碎; 当切削深度大于临界切削深度时, 岩石发生脆性破碎[37, 38]

为了进一步明确破碎模式对前、后刀面的影响, 对切削齿前、后面的受力进行仿真分析, 前、后刀面受力结果如图9-a所示。前、后刀面受力存在3个变化阶段, 即上升期、过渡期以及稳定期, 上升期的温升速率最大, 过渡期的温升速率较小, 而稳定期的温度变化相对稳定(图9-b)。从图9-a中可以看到, 当破碎花岗岩、玄武岩时, 前刀面的切削力波动程度大于破碎砂岩、大理岩前刀面的受力波动, 这是由于破碎模式不同造成的。

图9 切削齿前、后刀面切削力及温度变化示意图
(实线为前刀面, 虚线为后刀面的切削力和温度)

破碎砂岩、大理岩时, 由于岩石发生塑性破碎形成粉末性岩屑, 并且切削齿前刀面与岩石的接触长度(L1)基本不变, 因此切削齿前刀面的受力也相对平缓; 破碎花岗岩、玄武岩时, 岩石发生脆性破碎形成块状岩屑, 并且由于块状岩屑的形成与分离造成岩石与切削齿前刀面的接触长度呈周期性变化, 因此切削齿受力在一定的幅值内周期性波动, 存在切削阶段与间歇阶段。相对于前刀面受力波动程度的变化, 后刀面波动程度基本不变, 这是因为岩石破碎过程中, 前刀面承担主要的切削作用, 而且岩屑的形成以及流出主要通过前刀面完成, 接触长度的变化也主要发生在前刀面。

岩石破碎模式的差异导致切削齿前、后刀面的受力发生变化, 进而造成前、后刀面温度也发生相应的改变, 如图9-b所示, 刀面温度的变化趋势与刀面的受力的变化趋势一致:破碎不同种类的岩石对后刀面温度波动程度的影响不明显; 破碎花岗岩、玄武岩时, 前刀面的温度波动程度加剧, 这与脆性破碎形成块状岩屑带走热量的多少以及影响热传导的切削齿前刀面接触长度L1变化有密切联系。

为了保证仿真结果的可靠性与准确性, 对模型进行网格无关性检查, 以破碎大理岩切削齿前、后刀面平均温度为参考, 对模型进行加密后, 前刀面平均温度的变化幅度为0.67%, 后刀面平均温度的变化幅度为2.5%, 幅值变化较小, 可以说明本模型的网格划分较为合理, 仿真结果满足结果分析要求。

综合上述分析可得:岩石种类不同, 岩石强度等岩石特性存在差异, 影响岩石破碎模式(塑性、脆性)以及破碎过程, 进而导致切削齿所受切削力波动加剧, 切削齿温度波动程度也会相应地增加。

3.3 讨论

破碎岩石强度相差较大的岩石(砂岩、玄武岩), 岩石强度是影响温度变化的主要因素, 密度、导热系数等岩石特性也会对温度的变化产生影响, 但不如岩石强度的影响明显; 但当破碎岩石强度相近的岩石(砂岩、大理岩), 岩石密度、比热容等特性对温度变化的影响不能忽略, 如在数值模拟过程中, 砂岩、大理岩内摩擦角相等, 但切削齿前、后刀面温度仍然存在细微差异(见图9-b), 可见破碎不同岩石切削齿温度不仅取决于岩石的强度, 还受岩石的密度、比热容以及导热系数等岩石特性参数的影响。

4 结论

通过在相同钻进参数(钻压800 N、钻速100 r/min)下对4种典型岩石的钻进试验, 揭示了岩石特性对切削温度的影响规律, 主要结论如下:

1)岩石特性影响切削齿的温升程度以及温升速率。钻进砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩温升速率分别为0.27 ℃/s、0.57 ℃/s、0.71 ℃/s、0.92 ℃/s, 温升速率逐次递增, 其原因在于破碎岩石强度大的岩石需要较大的切削力, 切削力增大会导致切削热产量增多, 因此岩石强度是影响切削齿温升速率的重要因素。

2)岩石强度通过改变岩石破碎模式影响温度的波动程度。破碎砂岩、大理岩的温度波动范围为±0.5 ℃; 破碎花岗岩、玄武岩的温度波动范围为±1.5 ℃; 这主要是因为岩石破碎模式存在差异, 导致温度波动程度也不同, 在相同的钻进参数下, 花岗岩、玄武岩主要发生脆性破碎, 而砂岩、大理岩发生塑性破碎, 脆性破碎会加剧切削齿的温度波动程度。

3)通过数值分析可得:前、后刀面的温升程度以及速率随岩石强度的增加而相应的增大, 而且由于切削齿的前刀面承担主要的切削作用, 脆性破碎主要加剧前刀面温度波动程度, 对后刀面温度波动的影响不明显。

编 辑 凌 忠

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