非开挖钻孔新型碎泥屑钻头力学模型研究

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CAD／CAE／CAPP／CAM 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering) 2013年第 10期非开挖钻孔新型碎泥屑钻头力学模型研究李小平 ，刘海兰 ，芮延年(1常州信息职业技术学院，常州 213164；2苏州大学机电工程学院，苏州 215021)摘要：通过对气力输送技术和土的破坏理论的研究，借鉴目前国内外先进的钻尖结构，设计了一种适用于市政道路非开挖干法输送泥屑的非对称断屑槽变螺距螺旋面的新型钻头。通过对该钻头工作时的受力分析 ，建立了钻头的力学模型，为钻头参数的进一步优化及干法气力输送非开挖钻孔机器人的结构设计与计算奠定了理论基础。

关键词：非开挖；钻头；力学模型中图分类号：TH128 文献标志码：A 文章编号：1671—3133(2013)10—007O—04Research on mechanical models of a new clay chip drill usedin trenchless drillingLi Xiaoping ．Liu Hailan ，Rui Yannian(1 Changzhou Colege of Information Technology，Changzhou 213164，Jiangsu，China；2 Suzhou University，Suzhou 2 1 502 1，Jiangsu，China)Abstract：Through study of pneumatic conveying and soil damage theory and experiencing advanced dril structure of our countryand abroad，a new asymmetrical clay chip dril is designed which has break chip groove and variable·pitch and is used dry claychip pneumatic conveying in the process of trenchless drilling of urban road．The mechanical models are established after the me—chanical analysis when the drill working．It is the basis of optimization of the dril parameters and structure design and calculationof trenchless drilling robots with dry clay chip pneumatic conveying systems.

Key words：trenchless；drill：mechanical modelO 引言 的需求。

非开挖技术是指以最少的开挖量或不开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工新技术。近年来已越来越多地被应用于市政道路的建设施工中。20多年来，我国非开挖行业从创立、摸索、成长，到收获、进取、壮大，经历了规模从小到大，发展速度从慢到快 ，科技创新从无到有，实力从弱到强的过程 J¨。但是大多数非开挖管线施工设备占地面积都较大、设备价格昂贵且采用高压水泥浆系统来实现排泥，这样做不仅浪费水资源和能源，而且大量冲洗后的泥浆水很难进行泥水分离，未经泥水分离的泥浆水对环境也造成 比较严重的污染。因此，研究开发适合我国城市的市政道路非开挖管线施工要求的、可在人行道和花坛上开挖工作坑的、环境污染小的非开挖市政道路施工钻孔技术与设备是时代发展江苏省第八批六大人才高峰基金资助项 目(201l-ZBZZ-050)701 气力输送技术气力输送技术是利用气流在管道中输送松散状物料的一种方法。近些年来，气力输送技术发展得很快。由于它具有管道布置灵活、效率高、费用低、系统密封环境好及维修方便等优点而被广泛应用于粮食、水泥、粉煤灰、化工物料、矿粉、食盐、面粉和型砂等物料的输送。

本课题(本课题所研究的碎泥屑钻头已获得专利，专利号：201120565942．6)通过对国内外钻孔输泥技术的分析研究，拟采用一种干法气力输送泥屑的新方法，通过振动脉冲气刀式气力输送系统，将泥屑离散成由泥屑塞和气体塞组成的栓流，对泥屑进行干法气力输送 J。这样不但提高了施工效率，而且也能较好地解决目前国内外水力输送泥屑存在的泥水难以李小平，等：非开挖钻孔新型碎泥屑钻头力学模型研究 2013年第i0期分离的问题，从而使施工周围的环境卫生得以改善。

根据气力输送原理，要想保证干法气力输送泥屑的可靠性，需要钻下的泥屑越薄越碎越好，最好呈松散的泥屑状。由于泥土的钻削与金属的钻削有很大差别，虽然泥土较金属容易钻得多，但是其黏性较大，碎泥屑较难形成，因此，“碎泥屑钻头”是课题研究的关键。

本课题在研究土的强度理论的基础上，借鉴 目前国内外先进的钻尖结构，对碎泥屑钻头进行了设计；建立了碎泥屑钻头的力学模型，为碎泥屑钻头参数的进一步优化提供了理论依据。

2 土的破坏理论梅耶霍 夫 (G．G．Meyerhof)和 J．布辛奈斯 克(Boussinesq)的研究结果认为，土体在受力状态下，首先被挤压致密，并在压密过程中同时发生塑性变形和弹性变形；若压力继续加大，土体将发生塑性流动，其流动性达到 100％ 。

适用于土的强度理论有很多，不同的理论各有其优缺点。摩尔-库仑强度理论认为土体受载荷发生破坏为剪切破坏 。

根据以上两种理论，在钻头进给力作用下，前端的土体将发生一系列变形：土体首先被压密，当钻头的切削力超过土体所能承受的最大剪力时，土体即被切削呈碎屑状，进而向排屑槽流动。若由于塑性流动进入螺旋槽内的土屑不断地排出，则钻头前端的土体在切削力和钻头前部土体反作用力联合作用下会不断发生塑性流动而进入螺旋槽 ；而进入螺旋槽内部的土体在相同力作用下，同样产生塑性流动，将沿着螺旋槽向后流动。

3 碎泥屑钻头结构设计通过对摩尔一库仑强度理论的研究可知，对土体的切削过程就是泥土在钻削工具的作用下，偏离了原有的极限平衡状态，沿钻削面产生滑移并断裂的过程。

要想获得气力干法输送要求的碎泥屑，就要求在土体剪切滑移的过程中，被剪切下来的泥屑滑移速度不一致，即在产生泥屑过程中泥屑要进行错位滑移，要想达到这个 目的，采用普通的麻花钻结构对泥土进行钻削是无法实现的。参考金属切削原理，在切屑滑移的刀面上开设断屑槽的方式 ，使泥屑由于错位而发生断裂，同时考虑到泥屑的黏性，为了保证其在前刀面排屑时的流畅性，本课题通过研究提出“非对称断屑槽变螺距螺旋面碎泥屑钻头”_5 J，非对称断屑槽变螺距螺旋面碎泥屑钻头结构如图 1所示。

图 I 非对称断屑槽变螺距螺旋面碎泥屑钻头为了保证干法气力输送式非开挖地下钻孔能够有较好的直线度，本设计采用一种自动定心性能特别好的新型钻尖结构——s形横刃钻。

借鉴了群钻上特有的结构——圆弧刃。由于群钻具有左右对称的圆弧刃结构，使得它还具有 良好的定心导向性和断屑性。这些都为非开挖地下钻孔提供了技术基础。

为获得干法气力输送所需要的碎泥屑，在钻头的两处螺旋面上分别设计了若干个断屑槽。为减少泥屑在钻头轴向流动过程的阻力，螺旋面采取变螺距的设计。

在具体设计时，主要参数的选择可借鉴金属切削过程中钻削硬脆材料的硬质合金钻头的情况。钻头直径的确定可根据本课题拟订的技术指标采用相似设计方法完成 。

为使所设计的新型碎泥屑钻头能在实际应用中受力状态良好，需要进一步优化钻头的结构参数，这就必须建立钻头在钻销过程中的力学模型。

4 碎泥屑钻头力学模型研究_9 oj在非开挖市政道路施工钻孔过程中，钻头在土中克服土壤阻力向前进行钻进，钻头不断向前形成孔道。钻头所受的主要阻力是来 自于切削土壤所产生的阻力，其主要由三部分组成：即被动土压力、排屑槽面上的摩擦阻力和切削阻力。

4．1 被动土压力当钻头不断在土壤中向前推进时，其前面的土体即被挤压达到极限平衡状态，此时土体对钻头的压力即为被动土压力 P ，方向指向钻头，钻头受力分析如图2所示，图2中，P 为 P 的水平分量，P：为土壤将对排屑槽螺旋面产生的摩擦力，日为钻头中心距地面的距离，nl，R为钻头半径，nl，od为钻头的半锥角，(。)，P， 为周向力，P， 为径向力。

根据摩尔．库仑强度理论，土的极限平衡条件的表达式为：712013年第 10期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)图2 钻头受力分析3=or1 tan (45。一詈)一2ctan(45。一 ) (1)式中： 为单元土体水平方向的最小主应力，kPa； 。

为单元土体垂直方向的最大主应力，kPa； 为土的有效内摩擦角，(。)；c为土的有效粘聚力，kPa。

若令KP=tan。(45。一p／2)，则式(1)变为：or3： l 一2c~／ (2)而处于深度为z的单元土体受到的垂直方向的最大主应力 ．为：1= (3)式中： 为土壤的重度，t／m。。

将式(3)代入式(2)，得：3：TzKP一2c√KP (4)将 对z积分，可求得土压力水平方向的作用力：日+尺2P1=J 3dzJP1= KPR ／sin +(— KP日一c～／ )R (5)4．2 排屑槽面上的摩擦阻力在钻头向前钻进的过程中，钻削下来的土壤将沿着排屑槽向后方滑移，因此土壤将对排屑槽螺旋面产生摩擦力 P：：P2=2P =2Pl／x／sina (6)式中：P 为钻头的法向压力，N； 为土与钻头排屑槽螺旋面之间的摩擦因数。

所受的阻力即为切削阻力 P，。根据摩尔一库仑强度理论，土的抗剪强度公式为：7_，=Ortamp+c=—}( 1+ 3)tan +c (8)式中： ，为土体破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度，kPa； 为剪切破坏面上的法向有效应力，kPa。

将式(3)、式(4)代入式(8)，得：丁，=÷(Tz+yzKp一2c~／ )tan +c (9)将 ，对z积分，得单侧切削阻力P，为：曼 ，P =J 出=÷( +yzKp一2c V~7)tan +c=- [ 1 y (1+ )一cR tan +c(10)P，可以沿径向、周向与轴向进行分解。由于作用在钻头两侧切削刃上对应点的径向上的分力共线，而周向力将形成一个力偶 ，它的方向与钻头旋转方向相反。若周向力记为P 则有：P3：=P3c0s (11)M =P3
：L (12)式中： 为当量力臂，nl。

根据切削刃所在近似直线的方程可得：z=一xtana+日+R，则：rH+R= J (z—H)dx (13)故 ：rH+RM=P3 J ( —H)dx：rH+RP3 J (一xtana+R)dx=P3
；(R 一÷R tan —HRtanu)式中： 为沿钻头轴线方向的变量。

4．4 钻头工作时的总阻力根据以上推导，钻头工作时所受的总的轴向阻力PH为：PH=Pl+P2H (14)所受的力偶 为：P 的水平分量P 为：=P2co一 (7) 5由于钻头两侧的排屑槽结构对称，P 的垂直分量相互抵消，不用考虑。

4．3 切削阻力在钻头向前钻进过程中，两侧切削刃剪断土体时72=P3 (尺 一— 1 2tan— HRtan ) (15)结语干法气力输送式非开挖地下钻孔泥屑钻头结构设计结合了s形横刃钻和群钻的优点 ，可以说是一种(下转第 107页)张瑞成，等：基于谐波干扰的轧机主传动机电耦合系统参激振动机理研究 2013年第 10期明，谐波角频率 是影响该系统非线性振动特性的重要因素。随着谐波角频率 的变化轧机主传动机电耦合系统从周期运动逐步过渡到混沌运动。当该系统不稳定而出现混沌现象时，应该给予足够重视并提出相应的机电振动控制措施。这对轧机主传动系统的稳定运行及提高安全性、可靠性有着重要的意义。

参 考 文 献：[1] 李崇坚，段巍．轧机传动交流调速机 电振动控制[M]．北京：冶金工业出版社，2003.

[2] 钟掘，唐华平．高速轧机若干振动问题——复杂机电系统耦合动力学研究[J]．振动、测试与诊断，2002，22(1).

[3] He Jianjun，Yu Shouyi，Zhong Jue．Harmonic Current’S Cou—pling effect on the Main Motion of Temper Mil Set[J]．Jour—nal of Central South University of Technology，2000，7(3).

[4] Tang H P，Wang D Y，Zhong J．Investigation into the eletro-mechanical coupling unstability of a rolling mill[J]．Journalof Materials processing Technology，2002(129).

[5] 魏敏杰，黄培文，陈华勇．轧机主传动机电耦合系统瞬态响应计算机仿真[J]．武汉冶金科技大学学报，1998，21(3).

[6] 张瑞成，童朝南．基于交流传动的轧机机电耦合系统振动特性分析[J]．机械强度，2006，28(3).

[7] 刘彬，刘爽，张业宽，等．基于非线性反馈 的轧机主传 动机电耦联扭 转系统的分岔控 制[J]．机械工程 学报，2010，46(8).

[8] Yamapi R，Aziz—Alaoui M A．Vibration analysis and bifurca—tions in the self-sustained electromechanical system withmultiple functions『J 1．Nonlinear Science and NumericalSimulation，2007，12(8).

[9] Thomsen J J，Fidlin A．Analytical approximations for stickslip vibration amplitudes[J]．International Journal of Non·Linear Mechanics，2003(38).

[10] 梁薇，贺建军，喻寿益，等．谐波电流分量对平整机工作影响分析[J]．中南工业大学学报，2000，31(1).

[11] 黄俊．电力 电子 变流技 术 [M]．北 京：机械 工 业 出社，1994.

[12] 闻邦椿，李以农，韩清凯．非线性振动理论中的解析方法及工程应用[M]．沈阳：东北大学出版社，2001.

[13] 邹家祥，徐乐江，何汝迎．冷连轧机 系统振动控制[M].

北京：冶金工业出版社，1998.

作者简介：张瑞成，副教授，博士，从事轧机机电振动控制、轧钢 自动化、机电耦合系统动态特性分析与控制等研究。

E-mail：rchzhang### yahoo．con．cn收稿 日期 ：2012—11-05(上接第 72页)具有创新l生的设计 ，通过前期的实验研究也证明了它的有效性。它为干法气力输送泥屑奠定了技术基础。

通过对新型碎泥屑钻头在工作过程中的受力分析与公式推导，建立了碎泥屑钻头的力学模型，从而为优化钻头参数和干法气力输送非开挖钻孔机器人的结构设计与计算奠定了理论基础。

参 考 文 献：[1] 颜纯文．我 国非开挖行业现状与展望[J]．探矿工程，2010(10).

[2] 杨伦，谢一华．气力输送工程[M]．北京：机械工业出版社，2006.

[3] 吴世 明．土 动 力 学 [M]．北 京：中 国建 筑 工 业 出版社．2000.

[4] 刘增容，刘春原，梁波．土力学[M]．上海：同济大学出版社，2005.

[5] 袁哲俊，刘华明．刀具设计手册单行本：孔加工刀具，铣刀，数控机床用工具系统[M]．北京：机械工业出版社 ．2009.

[6][7][8][9][10]曾正铨．钻尖的数学模型与钻削试验研究[M]．北京：北京理工大学出版社，1993.

高振峰．土木工程施工机械实用手册[M]．济南：山东科学技术出版社，2005.

刘海兰，李小平．基于气力输送技术与摩尔一库仑理论非开挖钻孔泥屑钻头设计[J]．机械设计与研究，2012(5).

师汉民．金属切削理论及其应用新探[M]．武汉：华 中科技大学出版社，2003.

Samuel T Ariaratnam，SCE M A，Wing Chan，et a1．Utiliza—tion of trenchless construction methods in mainland china tosustain urban infrastructure[J]．Practical Periodical Struc—tural Design and Construction，2006，11(3).

作者简介 ：李小平，副教授，主要研究领域为机电一体化等。

E—mail：lxpcxy### 126．con收稿 日期 ：2012-10—19107