大直径气动潜孔锤冲击器动力学过程分析

大直径气动潜孔锤冲击器动力学过程分析訚耀保;岑斌【摘 要】大直径气动潜孔锤是一种以压缩空气作为动力的冲击破岩工具。建立了 大直径气动潜孔锤的数学模型，采用有限差分法，模拟了活塞在气室内稳定运动状 态下的动力学过程，得到了特性的规律以及各结构参数对工作过程的影响。活塞低 速运动时，后气室会出现压力波动现象，采取合适的时间步长可以减小数值仿真中 出现的压力波动。The large diameter pneumatic Down-the-hole hammer is an entering-rock drilling tool powered by com-pressed air. The mathematical model is built and the kinetic process of impactor is analyzed by using finite differ-ence algorithm. The change rule of parameters is obtained. The overlarge input pressure leads to the unnecessary en-ergy consumption and too low input pressure cant generate the drilling required impact power and frequency. The phenomenon of pressure oscillation happening in the inlet chamber is theoretically analysed. The research results show that the pressure oscillation can be decreased by taking the appropriate time step.【期刊名称】流体传动与控制年(卷),期】2015(000)001【总页数】6页(P9-14)关键词】 大直径;气动潜孔锤;动力学;入岩钻进作 者】 訚耀保;岑斌【作者单位】同济大学机械与能源工程学院上海 200092;同济大学机械与能源工 程学院上海 200092【正文语种】中文【中图分类】TH137大直径气动潜孔锤是一种以压缩空气为动力的气动冲击破岩工具，其在硬岩和卵砾 石地层的入岩桩基础和抗滑桩施工中，已取得了良好的效果，使该技术得到广泛应 用。在日本、韩国、美国、德国等国家广泛应用的双动力头潜孔锤凿岩钻孔机，即 采用双动力头长螺旋钻孔机与气动潜孔锤联合施工，其适应性强、施工效率高，是 普通冲击回转钻进的310倍，成孔质量好，无泥浆污染，是目前最先进的钻进 施工设备。目前国内使用的气动潜孔锤主要以直径200 mm以下的居多，大于 200 mm以上的钻孔属于大直径潜孔锤钻进范围，国内自主研发的不多，大多依 赖于进口。此类设备进口的价格十分昂贵，一台钻孔直径600 mm的大直径气动 潜孔锤，不包括桩架、空压机等约需280万元人民币。大直径气动潜孔锤钻进过程的特点是钻孔浅、直径大、钻孔地层复杂，钻孔垂直度 施工要求高，灌注质量要好，孔位不能移动。这些特点及要求给大直径钻孔施工带 来一定难度。通常情况下一个孔深为几十米的钻孔，其地层变化较大；土层工作量 大，容易钻进，但孔壁稳定性差，经常出现塌孔、超径等问题，所以要求土层的钻 进速度快，裸孔的时间短；而硬层的钻进工作量只占钻进进尺的10%20%，但 钻进时间要占钻进总时间的50%以上。因此，提高硬岩钻进效率，是当前大直径 工程孔施工技术攻克的主要问题。气动潜孔锤钻进工艺主要有两个参数：气压和流量。这两个参数主要满足以下两方 面的要求：一是满足冲击器碎岩所需的功率；二是满足将孔内岩屑排出孔外，避免 重复破碎。常规的低压空压机无法满足大直径气动潜孔锤的工作要求，如何解决空 压机匹配和结构设计这两个问题是研制大直径气动潜孔锤的关键。针对以上技术难 点，本文探讨新结构大直径气动潜孔锤，并分析动力过程，探讨整机如何匹配合适 的气压，优化气腔内的压力波动。图1 所示为所研究的大直径气动潜孔锤结构示意图。其工作原理：空气压缩机产 生的高压空气经过上接头 1 中心通孔，顶开逆止阀3，进入潜孔锤内部，经配气座 5 上的轴向孔、内缸 6 与外缸 2 所围成的通道、活塞 7 上的轴向槽，进入到冲击 器前气室，同时冲击器后气室的空气依次通过活塞 7 中心通孔，导向套 8 中心通 孔，钻头13 内部孔进行排气，活塞7由于存在上下面积差，进而在高压空气的作 用下往上加速运动，此过程为第一阶段；当活塞 7 上端面超过配气座 5 下端面时， 前气室继续进气，后气室开始封闭压缩，活塞 7 继续向上加速，此过程为第二阶 段；当活塞7 运动至前气室的进气通道被堵死后，前后气室都处于封闭状态，前 气室封闭膨胀，后气室封闭压缩，此时前气室压力大于后气室压力，活塞 7 仍向 上加速运动，此过程为第三阶段；当活塞 7 运动至后气室的进气通道打开后，高 压空气通过内缸 6 内壁凹槽进入到后气室，后气室开始进气，前气室继续封闭膨 胀，此时后气室压力超过前气室压力，活塞 7 由向上加速运动变为向上减速运动， 此过程为第四阶段；当活塞 7 下端面超过导向套8 上端面时，前气室开始排气， 后气室依然进气，活塞 7 继续减速，直至速度减为零，此过程为第五阶段。活塞 7 的回程运动由上述五个运动阶段构成，之后活塞 7 将向下做冲程运动，同样经历 上述五个运动阶段，但顺序刚好与回程运动相反，最后活塞 7 下端面撞击钻头 13 上端面，产生冲击功；同时旋转动力通过钻杆、上接头 1、外缸 2、下接头12 传 递给钻头 13，实现钻头的回转运动。大直径气动潜孔锤在冲击和旋转的联合作用 下实现钻进。由工作原理可知：大直径气动潜孔锤冲击器单次循环可分为两个过程、十个阶段， 见表1,其中L为活塞行程位移，L1L5为各阶段行程的临界点。图 2 所示为大直径气动潜孔锤冲击器的简化数学模型图。在准静态过程的条件下， 以气体状态方程、气体流动方程、能量平衡方程和牛顿运动方程为理论基础，使用 有限差分算法，模拟活塞在气室内稳定运动状态下的动力过程。其具体为：根据活 塞的加速度、速度和位移微分方程，求解活塞在一个时间步长内的加速度、速度和 位移以及前后气室的容积等参数；根据气体流动方程，计算进入、排出前后气室气 体质量；根据气体能量平衡方程，计算前后气室内气体压力及温度的变化；根据活 塞冲击过程方程，计算活塞冲击钻头后的返回速度；活塞以返回速度作为新一轮循 环的初始速度，进入下一次循环计算，直到活塞运动达到稳定状态。1）活塞加速度微分方程为：式中，X为活塞位移，m;ml为活塞质量，kg ;pl、p2为前后气室内气体压力，MPa ;A1、A2为前后气室活塞有效作用面积，m2 ；t为时间，s ；g为重力加速度，kgm/s2。2）活塞速度微分方程为：式中，v0为活塞初速度，m/s。3）活塞位移微分方程为：式中，L0为活塞初始位移，m。4）气体状态方程为：式中，p为气室内气体绝对压力,MPa ;V为气室内气体体积，m3 ；T为气体绝对温度，K;M为气室内气体质量，kg ;R为气体常数，J/（kgK）。5）气体流动方程为：式中，G为单位时间气体流过质量，kg/s。计算流入或排出前后气室气体质量时，要先计算孔口前后的气体压力比，判断属于 何种音速流动状态，然后选择对应的质量流计算公式。设气室的进排气过程为绝热 膨胀过程，气体流动状态可由临界压力比判定：式中，k为绝热过程指数。当p2/p1 = 时，气体处于音速流动状态；当8p2/p11时，气体处于亚音速流动状态；当0p2/p1v时，气体处于超音速流动状态。 在绝热膨胀情况下，气体亚音速流动，则有：式中，C为气体流动阻力系数；S为气室进排气口面积，m2 ；pl、p2为气室进排气口处前后压力，MPa。在绝热膨胀情况下，气体超音速流动，则有：6）气体能量平衡方程 气室内气体压力微分方程为： 式中，TO为外界气体绝对温度，K。气室内气体温度微分方程为：7）活塞冲击过程方程为：式中，m2为钻头质量，kg ；vO为活塞碰撞前速度，m/s ；v1为活塞碰撞后速度，m/s ；v2为钻头碰撞后速度，m/s ；b 为活塞碰撞后速度反弹系数。根据上述数学模型，利用有限差分原理，在Matlab平台上进行编程计算，模拟冲 击器内部的动力过程。具体计算过程中所需用到的主要参数：配气行程参数L1=0.2 m、L2=0.065 m、L3=0.058 m、L4= 0.028 m、L5=0.021 m，活塞质 量m1=250 kg，活塞上端面面积A2=0.03833 m2，活塞下端面面积A1= 0.05809 m2，前气室初始压力p1=1.4 MPa，体积V1二0.00 412 m3，温度 T1=298 K，后气室初始压力p2= 0.1 MPa，体积V2=0.00767 m3，温度 T2=293 K，还有前气室进排气口面积S1、S2，后气室进排气口面积S3、S4，活 塞的初始位移X、速度V、加速度a等参数。针对所研究的钻孔直径600 mm的 大直径气动潜孔锤，其钻进过程中需要高气压以克服工作阻力，因此采用一个出口 压力为1.6 MPa的空压机进行匹配，其中，打开逆止阀压力损失0.2 MPa，忽略 沿程压力损失，则进入气室的气体压力为1.4 MPa。由于大直径气动潜孔锤活塞 与钻头的碰撞属于对心正碰撞，且当撞击面经过淬火后，其弹性变形恢复系数接近 于1,可以采用活塞冲击过程方程得到活塞速度反弹系数为b=-0.3，其中，活塞 质量为m1=250 kg，钻头质量为m2=470 kg。初步设定仿真时间步长为0.1 ms， 进行数值仿真计算。3.1 冲击器工作过程分析 以活塞回程方向作为正方向，活塞冲程方向为负方向，得到如下仿真结果。 图3为活塞从初始状态到稳定循环运动状态的速度与位移关系曲线，活塞以初速 度为零开始向上做加速回程运动，达到最大回程速度为5.97 m/s后，回程速度开 始减小，直到活塞位移为0.19 m时，回程速度变为零，如图3中虚线箭头所示。 之后活塞开始做初速度为零的冲程运动，也同样经历先加速后减速的运动过程，直 到位移为零时（即活塞即将撞击钻头瞬间），活塞冲程速度为7.42 m/s，然后活 塞以此速度撞击钻头，得到一个反弹速度，并进入下一次循环运动。冲击器在经历 4个循环后达到稳定运动（如图3中实线箭头所示），整个过程所经历的时间为0.3786 s，根据上述结果，可以计算出大直径气动潜孔锤的冲击频率和冲击功等重 要参数。前气室的初始压力为1.4 MPa，后气室的初始压力为0.1 MPa，在经历4个冲击 循环后，冲击器运动状态达到稳定，其前后气室压力变化如图4所示。前气室先后经历进气、封闭膨胀、排气，再到封闭压缩、进气过程，其初始压力从1.4 MPa 下降至大气压，再上升至1.47 MPa ，完成一次冲击循环，直到最后稳定； 后气室先后经历排气、封闭压缩、进气，再到封闭膨胀、排气过程，其初始压力从0.1 MPa上升至1.49 MPa，再下降至0.62 MPa，完成一次冲击循环，直到最后 稳定。稳定冲击循环下活塞位移和速度随时间变化曲线如图5所示。从图5中可以看出，活塞以初速度2.1 m/s开始做回程加速运动，在时间 t=0.0181 s，位移为0.075 m时，回程速度达到最大值5.57 m/s，之后活塞开始 做减速运动，直到在时间t=0.0503 s，位移达到最大值0.174 m时，速度减小到 零。此后活塞开始做加速冲程运动，在时间t=0.0897 s，位移为0.021 m时，冲 程速度达到最大值-7.36 m/s ，之后速度又开始下降，直到撞击钻头时的冲击速度 为-6.96 m/s。3.2 不同进气压力下潜孔锤性能参数对比 大直径气动潜孔锤在复杂地层钻进时，为满足其碎岩所需的冲击功率和冲击频率， 要为冲击器选择合适的进气压力。前面对大直径气动潜孔锤冲击器研究采用的进气 压力为1.4 MPa，当然针对不同的地层，也可以采用其他不同的进气压力。图6 所示为进气压力为1 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa及1.8 MPa时的大直 径气动潜孔锤活塞运动速度的对比。在其他条件都保持不变且活塞回程位移不超过最大行程的条件下，进气压力越大， 冲击器的冲击功和冲击频率也越大，钻进硬质地层的效果也就也好。不同进气压力 下大直径气动潜孔锤冲击器的具体性能参数见表2所示。3.3 压力波动现象分析 活塞在每个冲击循环过程中，后气室总会出现一段压力波动现象，而且第1次冲 击循环产生的压力波动明显比其余3次大，如图7所示。进一步分析得到，当出 现压力波动时，活塞正处于低速运动阶段（从回程运动即将结束到冲程运动刚开始 这一阶段），且波动中心的压力与进气压力1.4 MPa的数值一样。 由式（9）可知，气室内气体压力变化受到两个方面的影响：单位时间步长内气体 质量变化量dM和体积变化量dV。当活塞具有一定的速度时，气室内气体体积变 化量dV起主导作用，进气室的压力沿一个方向变化，不会出现波动的现象；但当 活塞运动速度较低时，气室内体积变化比较小，dV对压力变化dp的影响逐渐减 小；当活塞的运动速度小到一定值后，dV对压力变化dp的影响将小于dM对压 力变化dp的影响，此时dM起主导作用。当压力超过1.4 MPa时，后气室反向 气源排气，dM为负值，经过一次迭代计算后，使后气室压力小于1.4 MPa，之后 后气室进气，dM为正值，再经过一次迭代计算后，使后气室压力大于1.4 MPa， 如此循环，使压力一直在1.4 MPa附近波动，直到活塞运动速度到达一定值后， dV对压力变化起主导作用，压力波动现象消失。第1次冲击循环产生的压力波动明显比其余3次大的原因是第1次冲击循环时， 后气室的各项参数值还没达到稳定，活塞运动到压力波动阶段时，后气室的体积V 比其余3次冲击循环时的要小，由式（9）可知，式中1/V就相当于压力变化dp 的放大因子。3.4 压力波动现象优化 上述压力波动现象产生的根源是数值计算过程带来的。当仿真时间步长设为0.01 ms时，活塞低速运行时压力波动现象将明显减小，如图8所示。图7中第1次冲击循环的压力波动为0.08 MPa ,第24次冲击循环的压力波动 为0.015 MPa ,而图8中第1次冲击循环的压力波动为0.001 MPa ,第24次冲击循环的压力波动为0.0001 MPa。活塞在低速运动时，实际工况是一个动态平衡过程，而数值仿真过程只是有限个准 静态过程的叠加，若时间步长选取不合理，会使实际较小的压力波动偏大，无法真 实地反映后气室出现的压力波动现象。1）所研究的大直径气动潜孔锤冲击器以气体状态方程、气体流动方程、能量平衡 方程和牛顿运动方程为理论基础，使用有限差分算法，模拟活塞在气室内稳定运动 状态下的动力过程，可以得到各参数对工作过程的影响规律。2）针对不同的地层结构，可采用相匹配的供气压力。供气压力过大会造成不必要 的能量损失，过小则无法产生钻进所需的冲击功和冲击频率。3）数值仿真时需要选择合适的时间步长，如通过细化时间步长来保证真实地再现 活塞在低速运动时后气室出现的压力波动现象。本文的分析结果对大直径气动潜孔 锤的设计和应用提供一定的基础方法。【相关文献】1訚耀保，黄帅，王康景，郭传新大直径气动潜孔锤动力学过程分析J 中南大学学报（自然科学版），2014，45（3）：721-726. 2 郭传新.中国桩工机械现状及发展趋势 J .建筑机械化，2011，32 （ 8）：16-21. 3 訚耀保，张昌钧，岑斌，郭传新.大直径气动潜孔锤钻头球齿与本体的过盈量分析 J .液压气动与密封，2013，3 （ 12）：17-21. 4 赵伟，吴旭君，郑平，等.大直径风动潜孔锤引孔技术在含漂石砾砂层预制桩施工中的应用与研究 J 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difference algorithm.The change rule of parameters is obtained.The overlarge input pressure leads to the unnecessary energy consumption and too low input pressure cant generate the drilling required impact power and frequency.The phenomenon of pressure oscillation happening in the inlet chamber is theoretically analysed.The research results show that the pressure oscillation can be decreased by taking the appropriate time step.Key worrddss：large diameter；pneumatic DTH hammer；dynamics；entering-rock drilling