隨著煤礦產(chǎn)能擴(kuò)大,開(kāi)采深度加深,開(kāi)采條件也越來(lái)越復(fù)雜,安全高效開(kāi)采對(duì)地質(zhì)保障技術(shù)的要求不斷提升,鉆探技術(shù)作為煤礦瓦斯和水害治理的重要技術(shù)手段,對(duì)鉆探裝備、配套鉆具和鉆進(jìn)工藝等都提出了更高的要求。鉆頭作為破碎巖石的主要工具,在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中起著重要作用,合理的設(shè)計(jì)和選用鉆頭對(duì)提高鉆進(jìn)效率和節(jié)約鉆進(jìn)成本具有重要意義。論文針對(duì)我國(guó)煤礦井下復(fù)雜硬巖鉆進(jìn)使用常規(guī)PDC鉆頭存在的鉆進(jìn)效率低、使用壽命短等問(wèn)題,在消化吸收石油鉆井用PDC鉆頭設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上,引入耦合仿生理論用于PDC鉆頭切削齒和冠部形狀設(shè)計(jì),并利用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和破巖機(jī)理分析,旨在達(dá)到提高鉆頭鉆進(jìn)效率和使用壽命的目的。論文首先從分析煤礦井下常用PDC切削齒和PDC鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用性入手,通過(guò)分析三翼內(nèi)凹型PDC鉆頭結(jié)構(gòu)缺陷和失效形式,結(jié)合煤礦井下硬巖鉆進(jìn)的特點(diǎn)和需求,在消化吸收石油鉆頭設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上,提出了“弧角型”冠部形狀設(shè)計(jì)方案和“錯(cuò)峰布齒、分層切削”的布齒原則,改進(jìn)了鉆頭冠部形狀和布齒設(shè)計(jì)。根據(jù)生物形態(tài)仿生原理,以食肉鯊魚(yú)牙齒作為仿生原型,將帶尖齒的牙齒特征,引入用于PDC切削齒的表面形狀設(shè)計(jì),以1308型...

【文章頁(yè)數(shù)】：136 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 選題背景及研究意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 PDC鉆頭技術(shù)的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 PDC鉆頭破巖機(jī)理的研究現(xiàn)狀
        1.2.3 PDC鉆頭數(shù)值模擬仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀
        1.2.4 耦合仿生理論在鉆頭設(shè)計(jì)上的應(yīng)用現(xiàn)狀
    1.3 研究?jī)?nèi)容
    1.4 研究方法和技術(shù)路線
2 煤礦井下常用PDC鉆頭主要類(lèi)型及缺陷分析
    2.1 煤礦井下常用PDC鉆頭類(lèi)型和特點(diǎn)
    2.2 煤礦井下常用PDC切削齒類(lèi)型和特點(diǎn)
    2.3 煤礦用PDC鉆頭常見(jiàn)失效類(lèi)型與成因分析
    2.4 內(nèi)凹型PDC鉆頭結(jié)構(gòu)缺陷分析與改進(jìn)措施
    2.5 煤礦用PDC鉆頭技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
    2.6 本章小結(jié)
3 仿生PDC切削齒的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析
    3.1 PDC切削齒的仿生原理
    3.2 仿生PDC切削齒的優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真分析
        3.2.1 建立仿真模型
        3.2.2 表面凹槽形狀優(yōu)選仿真分析
        3.2.3 表面凹槽數(shù)量?jī)?yōu)選仿真分析
    3.3 仿生PDC切削齒的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
        3.3.1 聚晶金剛石層表面形態(tài)設(shè)計(jì)
        3.3.2 硬質(zhì)合金襯墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    3.4 本章小節(jié)
4 PDC鉆頭耦合仿生設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析
    4.1 PDC鉆頭耦合仿生原理
        4.1.1 耦合仿生概念
        4.1.2 仿生對(duì)象及耦元分析
    4.2 仿生PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素分析
        4.2.1 冠部形狀設(shè)計(jì)要素分析
        4.2.2 布齒參數(shù)設(shè)計(jì)要素分析
    4.3 冠部形狀參數(shù)優(yōu)化仿真分析
        4.3.1 建立仿真模型
        4.3.2 切削齒的載荷分析
        4.3.3 鉆頭整體載荷分析
        4.3.4 仿真結(jié)果分析
    4.4 切削齒布齒參數(shù)優(yōu)化仿真分析
        4.4.1 建立仿真模型
        4.4.2 切削齒的受力分析
    4.5 仿生弧角型PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
        4.5.1 鋼體式仿生弧角型PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
        4.5.2 胎體式仿生弧角型PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    4.6 本章小結(jié)
5 仿生PDC鉆頭的提速增效破巖機(jī)理研究
    5.1 仿生PDC切削齒的提速增效機(jī)理分析
        5.1.1 PDC切削齒與巖石相互作用關(guān)系
        5.1.2 被鉆巖石應(yīng)力分析
        5.1.3 被鉆巖石彈塑性區(qū)界限數(shù)學(xué)表達(dá)
        5.1.4 入巖自由面對(duì)切削齒破巖效率的影響分析
    5.2 仿生PDC切削齒的破巖過(guò)程仿真分析
        5.2.1 建立仿真模型
        5.2.2 切削齒切入巖石瞬間受力分析
    5.3 仿生PDC鉆頭的提速增效機(jī)理分析
        5.3.1 PDC鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程受力分析
        5.3.2 孔底造型對(duì)鉆頭破巖效率的影響分析
    5.4 仿生PDC鉆頭的破巖過(guò)程仿真分析
        5.4.1 建立仿真模型
        5.4.2 邊界條件及載荷施加
        5.4.3 破巖效率分析
    5.5 本章小結(jié)
6 仿生PDC切削齒和仿生PDC鉆頭的試制與試驗(yàn)
    6.1 仿生PDC切削齒的試制
        6.1.1 壓模成型法
        6.1.2 線切割成型法
    6.2 仿生PDC切削齒實(shí)鉆性能測(cè)試分析
        6.2.1 測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備
        6.2.2 測(cè)試過(guò)程
        6.2.3 測(cè)試結(jié)果分析
    6.3 仿生PDC鉆頭的試制
        6.3.1 Φ94mm鋼體式仿生弧角型PDC鉆頭的試制
        6.3.2 Φ113mm胎體式仿生弧角型PDC鉆頭的試制
    6.4 仿生PDC鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
        6.4.1 Φ94mm鋼體式仿生弧角型PDC鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
        6.4.2 Φ113mm胎體式仿生弧角型PDC鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
    6.5 本章小結(jié)
7 總結(jié)與展望
    7.1 結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄
    Ⅰ個(gè)人簡(jiǎn)介
    Ⅱ攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
    Ⅲ攻讀博士期間的獲獎(jiǎng)情況
    Ⅳ攻讀博士期間參與的科研項(xiàng)目



本文編號(hào)：3825746