表镶CBN钻头研制及其岩石钻进负载特性实验研究

发布时间：2017-10-22 23:01

  本文关键词：表镶CBN钻头研制及其岩石钻进负载特性实验研究

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【摘要】：探月三期工程的核心任务目标是获取长度约两米的月壤样品并返回地球。在月壤剖面中可能会夹杂着不同类型、不同尺度、不同硬度等级的月岩,当取芯钻头遇到岩石时,钻进负载会急剧增加,钻头的切削热也会急剧累积,若钻头的设计不当或钻进规程控制失调,可能会导致钻取采样装置钻进功能、取芯功能失效。在探月工程三期预先研究阶段优化形成的螺旋形钻头构型,对小尺度月壤具有较强的钻进和取芯能力,但岩石的钻进能力较弱。针对这一工程背景,本文提出了在螺旋形基体表面镶嵌CBN颗粒,在不损失其取芯能力的前提下,充分提高其对岩石的钻进能力。针对CBN颗粒对岩石的破碎作用机理,系统开展了CBN颗粒岩石切削力学模型的理论与仿真研究。调研分析了月岩的基本类型和主要物理特性,对地球岩石的主要物理力学特性以及岩石的可钻性等级进行了研究。建立了集中载荷、球形压头作用于岩石的受载应力状态分析计算模型;依据岩石的破坏强度准则,建立了CBN颗粒岩石破碎力学模型和仿真模型,为CBN颗粒在钻具上的合理镶嵌提供了初始依据。研制了表镶CBN钻头试验件,并对CBN颗粒在钻头表面的镶嵌形态、颗粒态钻头表面与岩石的有效接触面积以及当量螺旋面积下的钻压力分布进行了分析与计算。开展了钻头钻进岩石的过程、钻头碎岩能力、排屑运动和钻头的主要磨损因素的研究,为科学评估表镶CBN钻头的关键特性提供了评价指标。为了充分验证所研制的表镶CBN钻头的综合特性,研制了岩石钻进试验台,开展了正交实验,获得了回转速率、加载速率以及基体螺旋头数、CBN颗粒直径对岩石钻进负载的影响规律。研究结果表明,在螺旋型钻头基体上镶嵌CBN颗粒,使钻具获得了较强的岩石钻进能力。
【关键词】：岩石 钻进特性 钻头 螺旋构型 表镶CBN
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P184.5;V476.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-18
• 1.1 课题来源及研究目的和意义8-9
• 1.1.1 课题来源8
• 1.1.2 研究目的和意义8-9
• 1.2 国内外地外天体采样探测技术综述9-14
• 1.2.1 国外采样探测技术综述9-13
• 1.2.2 国内采样探测技术现状13-14
• 1.3 钻头钻进岩石材料14-16
• 1.4 课题主要研究内容16-18
• 第2章 CBN颗粒岩石切削力学模型研究18-35
• 2.1 岩石物理力学性质分析18-22
• 2.1.1 月岩概述18-19
• 2.1.2 岩石的物理特性19-20
• 2.1.3 岩石的力学特性20-22
• 2.1.4 岩石的可钻性分级22
• 2.2 岩石受载应力状态分析22-26
• 2.2.1 集中载荷作用模型22-24
• 2.2.2 球形压头作用模型24-26
• 2.3 CBN颗粒岩石切削力学建模与仿真26-34
• 2.3.1 岩石的破坏强度准则27
• 2.3.2 CBN颗粒岩石破碎力学建模27-31
• 2.3.3 CBN颗粒岩石破碎仿真分析31-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 表镶CBN钻头研制及其关键特性分析35-52
• 3.1 表镶CBN钻头研制35-39
• 3.1.1 钻头基体构型选择35-36
• 3.1.2 CBN材料的性质36-37
• 3.1.3 CBN颗粒与钻头基体的镶嵌工艺37-39
• 3.2 CBN钻头钻压力分布影响因素研究39-43
• 3.2.1 CBN颗粒显微状态分析39-41
• 3.2.2 CBN颗粒有效接触面积计算41-43
• 3.3 表镶CBN钻头岩石钻进特性研究43-51
• 3.3.1 钻头钻进初始过程分析43-45
• 3.3.2 钻头碎岩能力的计算45-47
• 3.3.3 钻头的排屑运动分析47-48
• 3.3.4 钻头的磨损及主要因素分析48-50
• 3.3.5 基体构型对钻压力分布的影响分析50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 岩石钻进特性实验平台设计52-61
• 4.1 实验台方案设计52-53
• 4.2 钻头驱动系统设计53-58
• 4.2.1 回转部件设计54-56
• 4.2.2 冲击部件设计56-58
• 4.3 加载部件设计58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 表镶CBN钻头岩石钻进实验研究61-74
• 5.1 实验对象及实验参数选择61
• 5.2 钻进负载影响因素实验研究61-68
• 5.2.1 螺旋头数的影响实验61-63
• 5.2.2 CBN颗粒直径的影响实验63-66
• 5.2.3 钻进速率的影响实验66-67
• 5.2.4 回转速率的影响实验67-68
• 5.3 正交实验分析68-71
• 5.3.1 实验指标与正交表的选取69
• 5.3.2 正交实验结果及分析69-71
• 5.4 CBN钻头和连续切削型钻头的对比验证71-73
• 5.5 本章小结73-74
• 结论74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 马保松,张祖培,孙友宏;钻井工程用超硬材料及钻头的发展[J];地质与勘探;1998年02期

2 梁正召;王岩;廖志毅;杨岳峰;;刀具破岩机制研究现状及发展趋势[J];水利水电科技进展;2014年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 唐庭武;月壤深层钻取采样钻头结构参数优化[D];哈尔滨工业大学;2012年

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本文编号：1080450