摘要
潜孔锤反循环跟管钻头是破碎岩石的主要工具，同时是实现反循环钻进的重要部件之一，广泛应用于地质灾害防治工程中。钻头在钻进过程中承受交变的冲击载荷，易产生应力集中和疲劳破坏。活塞碰撞钻头后产生的应力波传播至钻头与岩石接触面后发生反射引起应力波叠加，使得钻头受力增加。为保证跟管钻头的正常工作，本文利用ABAQUS对不同冲击载荷下FGQ-600型大直径潜孔锤跟管钻头进行模拟及强度分析。结果表明：（1）钻头应力随冲击功增大而增加；（2）在潜孔锤2500 J的冲击功下，钻头体最大等效应力为808.9 MPa，小于材料屈服强度，满足强度要求；（3）起下钻时销轴应力随直径增大而减小，40 mm时销轴最大应力为383.66 MPa，低于材料屈服强度785 MPa，满足强度要求；（4）当销轴直径为16 mm时，销轴发生塑性变形，建议销轴直径≮20 mm。
近年来，我国滑坡、泥石流等自然灾害频发，对经济发展和人民生命财产安全造成了极大威
与常规反循环钻头不同，FGQ-600型潜孔锤钻头分为上、下钻头体，二者依靠悬挂销轴连接，通过轴槽配合实现跟管钻进。钻头体内有复杂的气体通道和变径机构，对钻头强度产生了一定的影响。因此，本文利用有限元分析软
FGQ-600大直径潜孔锤反循环偏心式跟管钻头如
图1 潜孔锤钻头工作原理
Fig.1 DTH hammer drill bit working principle
贯通式潜孔锤碎岩时活塞以一定的速度冲击钻头体，冲击瞬间钻头体承受较大的冲击应力，产生的应力波在钻头体内传播并在与岩石接触表面发生反射引起波的叠加，易产生应力集中和疲劳破
设计潜孔锤扩孔直径为600 mm，活塞直径为270 mm，活塞长720 mm。为简化模型，做如下假设：（1）忽略钻头以外的钻具对钻头强度的影响；（2）忽略钻头底部球齿对钻头整体强度的影响，将其与下钻头体看作整体；（3）忽略岩石表面不平产生的影响；（4）钻头底部始终与岩石接触，为完全固定状态。基于以上假设，建立冲击模型，活塞冲击钻头涉及瞬态动力学，其基本方程为：
| } | （1） |
式中：［M］——质量矩阵；［C］——阻尼矩阵；［K］——刚度矩阵；｛｝、｛｝、u——分别为加速度向量、速度向量、位移向量。
简化模型如
图2 活塞冲击钻头示意
Fig.2 Schematic diagram of the drill bit under impact load
| 型号 | 抗拉强度σb/MPa | 屈服强度σs/MPa | 弹性模量E/GPa | 泊松比 | 质量密度/（t· |
|---|---|---|---|---|---|
| 42CrMo | ≥1080 | ≥930 | 206 | 0.3 | 7.9 |
| XGQ25 | 1600 | 1000（σ0.2） | 206 | 0.3 | 7.9 |
| 40Cr | 980 | 785 | 206 | 0.3 | 7.9 |
为节省计算时间，提高模拟效率，且考虑到ABAQUS中通过设置冲击速度来反映冲击功，设置活塞底面与钻头上端相隔0.5 mm，此时活塞撞击到钻头体用时约0.11 ms。利用inventor建模，将模型以.stp格式导入Hypermesh进行网格划分，先分别对活塞、上钻头体、下钻头体、悬挂销轴进行二维网格划分，网格类型为结构化网格，在不能生成结构化网格的复杂区域使用非结构化网格，并对网格局部进行改动优化，之后在二维网格基础上生成三维网格。利用网格质量检查功能对网格质量进行检查，网格数约为90万，如
冲击钻进中钻头主要承受活塞的冲击力，轴向荷载起形成预应力、改善冲击功传递条件、加强冲击效果、克服冲击器反弹力的辅助作
| (2) |
式中：E——冲击功，J；m——活塞质量，取243.2 kg；v——活塞末速度，m/s。
根据材料力学，钻头材料许用安全系数可取1.1
图3 活塞能量随时间变化曲线
Fig.3 Energy vs time for the piston
对不同冲击功下钻头体强度进行分析，如
| (3) |
式中：S——应力，MPa；E——冲击功，J。
图4 应力与冲击功关系
Fig.4 Relationship between von‑mise stress and impact energy
拟合相关系数为0.996，接近1说明拟合效果良好。由
以配套潜孔锤的冲击功2500 J为例，观察钻头应力波传播情况，如
图5 2500 J下不同时刻钻头应力云图
Fig.5 Drill bit von‑mise stress variation at different times under 2500J
分析2500 J冲击功下关键位置强度。气体通道附近应力值均在808.9 MPa以下，低于材料的屈服强度930 MPa，其中泄压槽附近出现应力最大值808.9 MPa，如
图6 关键部位应力示意
Fig.6 Schematic diagram of stress in the key parts
分别取关键部位观察其应力随时间变化情况，通过选择同一编号的单元来保证不同冲击功下点选取的一致性（如
图7 关键部位点的选取
Fig.7 Selection of key points
a—泄压槽;b—花键;c—中心通道;d—内喷孔;e—吸渣通道;f—上、下钻头体接触处;g—悬挂销轴;h—底喷孔;i—排渣导槽
图8 关键部位应力随时间变化曲线
Fig.8 Stress vs time for the key points
起下钻时，悬挂销轴不受冲击力，主要起支撑下钻头体的作用，承受下钻头体的直接拉力，一旦失效，将导致下钻头掉落，影响钻进效率。因此对起下钻过程中的悬挂销轴进行强度校核具有重要意义。
沿用冲击载荷下的假设，利用inventor建立模型，模型由上、下钻头体及悬挂销轴组成，下钻头体处于收回状态。将装配好的模型以.stp格式导入有限元软件中，按曲率自由划分网格，总体网格数量为82.5万。
钻头受到竖直向上的拉力，考虑到上钻头体质量为516 kg，悬挂销轴质量为4.32 kg，下钻头体质量为198 kg，且提钻时可能粘附有岩屑，因此拉力设为10 kN。如
图9 载荷设置
Fig.9 Load setting
当销轴直径从24 mm增加至40 mm时，最大应力从483.54 MPa减小至383.66 MPa，相应最大应变从2.4×1
| (4) |
式中：S——应力，MPa；d——销轴直径，mm。
图10 不同直径下悬挂销轴的应力应变曲线
Fig.10 Stress vs strain for the suspension pins with
different diameters
拟合相关系数为0.926，接近1说明拟合效果良好。由
悬挂销轴材料40Cr的屈服强度为785 MPa，由40Cr许用应力图表可知一般机械轴类许用安全系数为2.
图11 10 kN下应力应变与拉力关系
Fig.11 Relationship between von‑mise stress‑equivalent strain and tensile force under 10kN
| 销轴直径/mm | 16 | 20 | 24 | 28 | 32 | 36 | 40 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大应力σ/MPa | 15566 | 577.91 | 483.54 | 443.84 | 405.17 | 408.72 | 383.66 |
| 最大应变ε | 0.1359 | 0.0029 | 0.0024 | 0.0022 | 0.0020 | 0.0020 | 0.0019 |
本文利用有限元软件对冲击载荷下FGQ-600大直径潜孔锤反循环跟管钻头强度进行了模拟分析，得到以下结论：
（1）冲击载荷作用下，冲击力以应力波的形式传递给钻头进而传递给岩石，应力随着冲击功的增大而增大。
（2）2500 J的冲击功下钻头最大等效应力为808.9 MPa，低于材料屈服极限930 MPa，满足强度要求。3100 J冲击功下钻头最大等效应力为902.7 MPa，超出3400 J后，钻头最大等效应力达到944.7 MPa，超出材料屈服强度，不满足强度要求。
（3）能量在活塞与上钻头体、钻头体与悬挂销轴接触处、上下钻头体接触处衰减明显。活塞与泄压槽接触处应力最大，是钻头的薄弱部位，应通过优化接触面形状等方法提高钻头强度。
（4）起下钻过程中，悬挂销轴应力随销轴直径的增大而减小，40 mm时销轴最大应力为383.66 MPa，安全系数约为2.05，满足强度要求。当销轴直径为16 mm时，销轴发生塑性变形，建议销轴直径不得小于20 mm。
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