隨著煤礦產(chǎn)能擴大,開采深度加深,開采條件也越來越復雜,安全高效開采對地質(zhì)保障技術的要求不斷提升,鉆探技術作為煤礦瓦斯和水害治理的重要技術手段,對鉆探裝備、配套鉆具和鉆進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,在整個鉆進過程中起著重要作用,合理的設計和選用鉆頭對提高鉆進效率和節(jié)約鉆進成本具有重要意義。論文針對我國煤礦井下復雜硬巖鉆進使用常規(guī)PDC鉆頭存在的鉆進效率低、使用壽命短等問題,在消化吸收石油鉆井用PDC鉆頭設計理論的基礎上,引入耦合仿生理論用于PDC鉆頭切削齒和冠部形狀設計,并利用計算機模擬仿真技術進行結構優(yōu)化和破巖機理分析,旨在達到提高鉆頭鉆進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鉆頭結構特點和適用性入手,通過分析三翼內(nèi)凹型PDC鉆頭結構缺陷和失效形式,結合煤礦井下硬巖鉆進的特點和需求,在消化吸收石油鉆頭設計理論的基礎上,提出了“弧角型”冠部形狀設計方案和“錯峰布齒、分層切削”的布齒原則,改進了鉆頭冠部形狀和布齒設計。根據(jù)生物形態(tài)仿生原理,以食肉鯊魚牙齒作為仿生原型,將帶尖齒的牙齒特征,引入用于PDC切削齒的表面形狀設計,以1308型...

【文章頁數(shù)】：136 頁

【學位級別】：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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 PDC鉆頭技術的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 PDC鉆頭破巖機理的研究現(xiàn)狀
        1.2.3 PDC鉆頭數(shù)值模擬仿真技術的研究現(xiàn)狀
        1.2.4 耦合仿生理論在鉆頭設計上的應用現(xiàn)狀
    1.3 研究內(nèi)容
    1.4 研究方法和技術路線
2 煤礦井下常用PDC鉆頭主要類型及缺陷分析
    2.1 煤礦井下常用PDC鉆頭類型和特點
    2.2 煤礦井下常用PDC切削齒類型和特點
    2.3 煤礦用PDC鉆頭常見失效類型與成因分析
    2.4 內(nèi)凹型PDC鉆頭結構缺陷分析與改進措施
    2.5 煤礦用PDC鉆頭技術的發(fā)展趨勢
    2.6 本章小結
3 仿生PDC切削齒的優(yōu)化設計與仿真分析
    3.1 PDC切削齒的仿生原理
    3.2 仿生PDC切削齒的優(yōu)化設計仿真分析
        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)量優(yōu)選仿真分析
    3.3 仿生PDC切削齒的整體結構設計
        3.3.1 聚晶金剛石層表面形態(tài)設計
        3.3.2 硬質(zhì)合金襯墊的結構設計
    3.4 本章小節(jié)
4 PDC鉆頭耦合仿生設計與結構優(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 仿生對象及耦元分析
    4.2 仿生PDC鉆頭結構設計要素分析
        4.2.1 冠部形狀設計要素分析
        4.2.2 布齒參數(shù)設計要素分析
    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鉆頭的結構設計
        4.5.1 鋼體式仿生弧角型PDC鉆頭的結構設計
        4.5.2 胎體式仿生弧角型PDC鉆頭的結構設計
    4.6 本章小結
5 仿生PDC鉆頭的提速增效破巖機理研究
    5.1 仿生PDC切削齒的提速增效機理分析
        5.1.1 PDC切削齒與巖石相互作用關系
        5.1.2 被鉆巖石應力分析
        5.1.3 被鉆巖石彈塑性區(qū)界限數(shù)學表達
        5.1.4 入巖自由面對切削齒破巖效率的影響分析
    5.2 仿生PDC切削齒的破巖過程仿真分析
        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鉆頭的提速增效機理分析
        5.3.1 PDC鉆頭鉆進過程受力分析
        5.3.2 孔底造型對鉆頭破巖效率的影響分析
    5.4 仿生PDC鉆頭的破巖過程仿真分析
        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
6 仿生PDC切削齒和仿生PDC鉆頭的試制與試驗
    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切削齒實鉆性能測試分析
        6.2.1 測試方法和測試設備
        6.2.2 測試過程
        6.2.3 測試結果分析
    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)場試驗
        6.4.1 Φ94mm鋼體式仿生弧角型PDC鉆頭的現(xiàn)場試驗
        6.4.2 Φ113mm胎體式仿生弧角型PDC鉆頭的現(xiàn)場試驗
    6.5 本章小結
7 總結與展望
    7.1 結論
    7.2 創(chuàng)新點
    7.3 展望
致謝
參考文獻
附錄
    Ⅰ個人簡介
    Ⅱ攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文
    Ⅲ攻讀博士期間的獲獎情況
    Ⅳ攻讀博士期間參與的科研項目



本文編號：3825746