煤矿用PDC钻头耦合仿生设计及提速增效破岩机理研究
发布时间：2023-05-31 05:08
随着煤矿产能扩大,开采深度加深,开采条件也越来越复杂,安全高效开采对地质保障技术的要求不断提升,钻探技术作为煤矿瓦斯和水害治理的重要技术手段,对钻探装备、配套钻具和钻进工艺等都提出了更高的要求。钻头作为破碎岩石的主要工具,在整个钻进过程中起着重要作用,合理的设计和选用钻头对提高钻进效率和节约钻进成本具有重要意义。论文针对我国煤矿井下复杂硬岩钻进使用常规PDC钻头存在的钻进效率低、使用寿命短等问题,在消化吸收石油钻井用PDC钻头设计理论的基础上,引入耦合仿生理论用于PDC钻头切削齿和冠部形状设计,并利用计算机模拟仿真技术进行结构优化和破岩机理分析,旨在达到提高钻头钻进效率和使用寿命的目的。论文首先从分析煤矿井下常用PDC切削齿和PDC钻头结构特点和适用性入手,通过分析三翼内凹型PDC钻头结构缺陷和失效形式,结合煤矿井下硬岩钻进的特点和需求,在消化吸收石油钻头设计理论的基础上,提出了“弧角型”冠部形状设计方案和“错峰布齿、分层切削”的布齿原则,改进了钻头冠部形状和布齿设计。根据生物形态仿生原理,以食肉鲨鱼牙齿作为仿生原型,将带尖齿的牙齿特征,引入用于PDC切削齿的表面形状设计,以1308型...
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 PDC钻头技术的研究现状
1.2.2 PDC钻头破岩机理的研究现状
1.2.3 PDC钻头数值模拟仿真技术的研究现状
1.2.4 耦合仿生理论在钻头设计上的应用现状
1.3 研究内容
1.4 研究方法和技术路线
2 煤矿井下常用PDC钻头主要类型及缺陷分析
2.1 煤矿井下常用PDC钻头类型和特点
2.2 煤矿井下常用PDC切削齿类型和特点
2.3 煤矿用PDC钻头常见失效类型与成因分析
2.4 内凹型PDC钻头结构缺陷分析与改进措施
2.5 煤矿用PDC钻头技术的发展趋势
2.6 本章小结
3 仿生PDC切削齿的优化设计与仿真分析
3.1 PDC切削齿的仿生原理
3.2 仿生PDC切削齿的优化设计仿真分析
3.2.1 建立仿真模型
3.2.2 表面凹槽形状优选仿真分析
3.2.3 表面凹槽数量优选仿真分析
3.3 仿生PDC切削齿的整体结构设计
3.3.1 聚晶金刚石层表面形态设计
3.3.2 硬质合金衬垫的结构设计
3.4 本章小节
4 PDC钻头耦合仿生设计与结构优化仿真分析
4.1 PDC钻头耦合仿生原理
4.1.1 耦合仿生概念
4.1.2 仿生对象及耦元分析
4.2 仿生PDC钻头结构设计要素分析
4.2.1 冠部形状设计要素分析
4.2.2 布齿参数设计要素分析
4.3 冠部形状参数优化仿真分析
4.3.1 建立仿真模型
4.3.2 切削齿的载荷分析
4.3.3 钻头整体载荷分析
4.3.4 仿真结果分析
4.4 切削齿布齿参数优化仿真分析
4.4.1 建立仿真模型
4.4.2 切削齿的受力分析
4.5 仿生弧角型PDC钻头的结构设计
4.5.1 钢体式仿生弧角型PDC钻头的结构设计
4.5.2 胎体式仿生弧角型PDC钻头的结构设计
4.6 本章小结
5 仿生PDC钻头的提速增效破岩机理研究
5.1 仿生PDC切削齿的提速增效机理分析
5.1.1 PDC切削齿与岩石相互作用关系
5.1.2 被钻岩石应力分析
5.1.3 被钻岩石弹塑性区界限数学表达
5.1.4 入岩自由面对切削齿破岩效率的影响分析
5.2 仿生PDC切削齿的破岩过程仿真分析
5.2.1 建立仿真模型
5.2.2 切削齿切入岩石瞬间受力分析
5.3 仿生PDC钻头的提速增效机理分析
5.3.1 PDC钻头钻进过程受力分析
5.3.2 孔底造型对钻头破岩效率的影响分析
5.4 仿生PDC钻头的破岩过程仿真分析
5.4.1 建立仿真模型
5.4.2 边界条件及载荷施加
5.4.3 破岩效率分析
5.5 本章小结
6 仿生PDC切削齿和仿生PDC钻头的试制与试验
6.1 仿生PDC切削齿的试制
6.1.1 压模成型法
6.1.2 线切割成型法
6.2 仿生PDC切削齿实钻性能测试分析
6.2.1 测试方法和测试设备
6.2.2 测试过程
6.2.3 测试结果分析
6.3 仿生PDC钻头的试制
6.3.1 Φ94mm钢体式仿生弧角型PDC钻头的试制
6.3.2 Φ113mm胎体式仿生弧角型PDC钻头的试制
6.4 仿生PDC钻头的现场试验
6.4.1 Φ94mm钢体式仿生弧角型PDC钻头的现场试验
6.4.2 Φ113mm胎体式仿生弧角型PDC钻头的现场试验
6.5 本章小结
7 总结与展望
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
致谢
参考文献
附录
Ⅰ个人简介
Ⅱ攻读博士学位期间发表的学术论文
Ⅲ攻读博士期间的获奖情况
Ⅳ攻读博士期间参与的科研项目
本文编号：3825746
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 PDC钻头技术的研究现状
1.2.2 PDC钻头破岩机理的研究现状
1.2.3 PDC钻头数值模拟仿真技术的研究现状
1.2.4 耦合仿生理论在钻头设计上的应用现状
1.3 研究内容
1.4 研究方法和技术路线
2 煤矿井下常用PDC钻头主要类型及缺陷分析
2.1 煤矿井下常用PDC钻头类型和特点
2.2 煤矿井下常用PDC切削齿类型和特点
2.3 煤矿用PDC钻头常见失效类型与成因分析
2.4 内凹型PDC钻头结构缺陷分析与改进措施
2.5 煤矿用PDC钻头技术的发展趋势
2.6 本章小结
3 仿生PDC切削齿的优化设计与仿真分析
3.1 PDC切削齿的仿生原理
3.2 仿生PDC切削齿的优化设计仿真分析
3.2.1 建立仿真模型
3.2.2 表面凹槽形状优选仿真分析
3.2.3 表面凹槽数量优选仿真分析
3.3 仿生PDC切削齿的整体结构设计
3.3.1 聚晶金刚石层表面形态设计
3.3.2 硬质合金衬垫的结构设计
3.4 本章小节
4 PDC钻头耦合仿生设计与结构优化仿真分析
4.1 PDC钻头耦合仿生原理
4.1.1 耦合仿生概念
4.1.2 仿生对象及耦元分析
4.2 仿生PDC钻头结构设计要素分析
4.2.1 冠部形状设计要素分析
4.2.2 布齿参数设计要素分析
4.3 冠部形状参数优化仿真分析
4.3.1 建立仿真模型
4.3.2 切削齿的载荷分析
4.3.3 钻头整体载荷分析
4.3.4 仿真结果分析
4.4 切削齿布齿参数优化仿真分析
4.4.1 建立仿真模型
4.4.2 切削齿的受力分析
4.5 仿生弧角型PDC钻头的结构设计
4.5.1 钢体式仿生弧角型PDC钻头的结构设计
4.5.2 胎体式仿生弧角型PDC钻头的结构设计
4.6 本章小结
5 仿生PDC钻头的提速增效破岩机理研究
5.1 仿生PDC切削齿的提速增效机理分析
5.1.1 PDC切削齿与岩石相互作用关系
5.1.2 被钻岩石应力分析
5.1.3 被钻岩石弹塑性区界限数学表达
5.1.4 入岩自由面对切削齿破岩效率的影响分析
5.2 仿生PDC切削齿的破岩过程仿真分析
5.2.1 建立仿真模型
5.2.2 切削齿切入岩石瞬间受力分析
5.3 仿生PDC钻头的提速增效机理分析
5.3.1 PDC钻头钻进过程受力分析
5.3.2 孔底造型对钻头破岩效率的影响分析
5.4 仿生PDC钻头的破岩过程仿真分析
5.4.1 建立仿真模型
5.4.2 边界条件及载荷施加
5.4.3 破岩效率分析
5.5 本章小结
6 仿生PDC切削齿和仿生PDC钻头的试制与试验
6.1 仿生PDC切削齿的试制
6.1.1 压模成型法
6.1.2 线切割成型法
6.2 仿生PDC切削齿实钻性能测试分析
6.2.1 测试方法和测试设备
6.2.2 测试过程
6.2.3 测试结果分析
6.3 仿生PDC钻头的试制
6.3.1 Φ94mm钢体式仿生弧角型PDC钻头的试制
6.3.2 Φ113mm胎体式仿生弧角型PDC钻头的试制
6.4 仿生PDC钻头的现场试验
6.4.1 Φ94mm钢体式仿生弧角型PDC钻头的现场试验
6.4.2 Φ113mm胎体式仿生弧角型PDC钻头的现场试验
6.5 本章小结
7 总结与展望
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
致谢
参考文献
附录
Ⅰ个人简介
Ⅱ攻读博士学位期间发表的学术论文
Ⅲ攻读博士期间的获奖情况
Ⅳ攻读博士期间参与的科研项目
本文编号：3825746
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