發(fā)布時間：2021-07-19 12:23

　　月表高真空無水和復(fù)雜的溫度環(huán)境,會導(dǎo)致鉆探采樣過程中鉆頭和月巖之間產(chǎn)生大量的熱量,且熱量無法及時擴散,進而加劇了刀具的磨損,導(dǎo)致鉆頭切削性能、使用壽命下降。目前PDC鉆頭多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱形鋒利齒,由于切削齒尖端存在應(yīng)力集中和切削力波動行為,切削齒易于產(chǎn)生磨鈍與斷齒現(xiàn)象。切削齒的磨損主要集中在切削刃區(qū)域,使得切削齒失去了切削效率,最終導(dǎo)致用于巖石切削的能量急劇增加。據(jù)文獻調(diào)研表明,PDC切削齒齒刃形狀已經(jīng)成為巖石切削的重要研究對象,它對減少切削齒的磨損、提高切削齒壽命至關(guān)重要。本文主要考慮圓弧形狀切削齒對切削破巖的影響,研究了巖石切削過程中切削力、溫度的變化規(guī)律、刀具磨損形貌以及巖石破碎機理。主要研究結(jié)論如下:（1）真空條件下的摩擦系數(shù)與切削齒上溫度遠高于環(huán)境空氣條件,在大氣條件下切削齒接觸區(qū)域主要發(fā)生光滑磨損的過程,這種磨損模式通常是在均質(zhì)地層中鉆井時發(fā)生的,該地層具有較強的研磨性,經(jīng)過拋光后的表面非常平整,而沒有導(dǎo)致它在宏觀意義上的斷裂。而真空條件下,切屑塑性變形產(chǎn)生的熱量和切削齒與切屑、巖石摩擦產(chǎn)生的熱量大部分傳遞給切削齒,導(dǎo)致切削齒溫度上升,在缺乏鉆井液的條件下,真空中產(chǎn)生的熱量... 

【文章來源】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

拉伸破碎力學(xué)模型

4Gray[25]通過對單齒切削研究認為，在剪應(yīng)力的作用下，巖石斷裂裂紋首先沿著近似于對數(shù)螺旋線的路徑發(fā)展，然后向上延伸，直至自由表面。Nishimatsu[26]通過對煤巖、砂巖、水泥回轉(zhuǎn)切削過程的研究，提出類似的回轉(zhuǎn)切削力學(xué)模型。切削時后刀面接觸的巖石首先被壓碎，隨后在剪應(yīng)力作用下向自由表面產(chǎn)生斷裂裂紋擴展。Nishimatsu剪切模型切削力計算公式：=公式（1-2）式中：—切削深度；—巖石剪切強度；—巖石切削摩擦角；—應(yīng)力分布系數(shù)、—巖石內(nèi)摩擦角；—刀具前傾角。Appl等[3]也認為，在低鉆速下的巖石，表現(xiàn)為剛塑性，并服從Tresca最大剪應(yīng)力破壞準(zhǔn)則。剪切破碎力學(xué)模型如圖1-2所示。圖1-2剪切破碎力學(xué)模型3、拉剪聯(lián)合作用破碎別隆等[27]采用高速攝影法記錄煤炭的切削破碎過程。在切削力的作用下，煤炭首先被剪碎成極細的顆粒，在切削齒刀尖處形成壓實核，隨著切削力逐漸增大，從壓實核邊緣產(chǎn)生大體積拉伸破碎。王成勇[17]通過對輝綠巖的研究，對此模型進行了驗證，在輝綠巖大塊切屑形成過程中，初始裂紋及擴展是由拉伸應(yīng)力作用產(chǎn)生，在進一步的裂紋擴展過程中，拉應(yīng)力與剪應(yīng)力共同作用。中島嚴(yán)[28]也建立了類似的拉剪作用切削力學(xué)模型，刃前巖石先壓碎或剪碎成粉，然后在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫擴展和塊體斷裂[29]。拉剪破碎力學(xué)模型如圖1-3所示。

5圖1-3拉剪破碎力學(xué)模型（2）基于巖石與切削齒不同接觸形式力學(xué)模型近期回轉(zhuǎn)切削力學(xué)模型在拉剪破碎分析的基礎(chǔ)上根據(jù)巖石與切削齒不同的工作階段和接觸形式進行研究，主要表現(xiàn)為利刃切削、鈍刃切削。LiangE等[30]通過研究切削面積、接觸弧長等不同因素對切削力的影響，對不同種類巖石進行回轉(zhuǎn)切削試驗，研究了PDC利刃切削一般力學(xué)模型，為鉆頭設(shè)計優(yōu)化和鉆頭的合理使用提供了理論基矗DemengChe等[31]在利刃切削的基礎(chǔ)上，通過分析在線性切削中PDC切削齒與巖石的相互作用，提出如圖1-4所示力學(xué)模型：切削齒的前刀面刀刃處引入尖端破碎區(qū)，即為壓實核，壓實核邊界處壓應(yīng)力與裂紋擴展處拉應(yīng)力σ假設(shè)為均勻分布，切削齒破碎巖石過程轉(zhuǎn)化為尖端破碎區(qū)與巖石的相互作用。為了評估力學(xué)模型，進行全面線性巖石切削實驗驗證。圖1-4利刃切削力學(xué)模型雖然對利刃切削過程產(chǎn)生的切削力建模較為成熟，但對影響磨損平面上接觸力的因素研究仍有待完善[32]。Detournay和defourny[33]考慮摩擦力的作用，將模型分為利刃切削和鈍刃切削，建立了切向力與軸向力之間的關(guān)系。該模型具有局限性，不能準(zhǔn)確描述給定具體鉆壓、扭矩、鉆進速度以及角速度參數(shù)之間的力學(xué)

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]月面鉆取采樣過程鉆具熱特性測試系統(tǒng)研制與試驗研究[D]. 侯佑松.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013
[2]PDC鉆頭切削齒破巖過程熱分析與仿真[D]. 李勇.西南石油大學(xué) 2012



本文編號：3290696