本文關(guān)鍵詞：仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭耐磨增效機理研究　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：孕鑲金剛石鉆頭是資源開采和地質(zhì)勘查的主要工具。隨著國家能源探采工程向深部、硬巖和復(fù)雜地層方向不斷發(fā)展,傳統(tǒng)孕鑲金剛石鉆頭存在壽命短、效率低和能耗大等技術(shù)難題。創(chuàng)新孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計理念,提升鉆頭的服役壽命和工作效率,是推動孕鑲金剛石鉆頭升級的重要研究方向。自然界中的生物經(jīng)過億萬年的進化,形成了與生俱來的耐磨、自再生、自修復(fù)和自潤滑功能,這為新型鉆頭的設(shè)計與制備提供了天然藍本。本文基于多因素耦合仿生理論,以蜣螂、蚯蚓等典型生物為仿生模本,設(shè)計并制備了具有動態(tài)非光滑、原位自再生和彌散自潤滑特性的仿生孕鑲金剛石鉆頭試樣,開展了被動、主動磨損試驗和近工況條件下的鉆進試驗研究,以及力學(xué)和傳熱狀態(tài)的數(shù)值仿真模擬研究,較全面地闡釋了仿生孕鑲金剛石鉆頭的耐磨、增效和自再生機理,為開發(fā)新一代仿生鉆頭提供更詳盡的理論與技術(shù)支撐,具有重要的研究價值和科學(xué)意義�；谀ズ谋仍u價方法的被動磨削試驗發(fā)現(xiàn),仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭樣件經(jīng)非光滑形態(tài)、自再生結(jié)構(gòu)和自潤滑材料三種耦元的耦合、協(xié)同作用,其耐磨性能和磨削能力顯著優(yōu)于普通孕鑲金剛石試樣。其中,動態(tài)自再生非光滑效應(yīng)是影響仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭樣件耐磨增效性能的關(guān)鍵因素。自潤滑功能耦元能夠產(chǎn)生良好的潤滑效果,減少界面摩擦。摩擦界面間過小的空間和磨屑的累積是導(dǎo)致“微燒蝕”,胎體剝落和金剛石碎裂等影響鉆頭過度磨損的主要原因。凹坑形仿生非光滑表面可通過增加摩擦界面的空間,捕獲磨粒和磨屑、縮短劃痕、改善表面應(yīng)力狀態(tài)、提供潤滑介質(zhì)等多種功能特性進行耐磨增效,以減少甚至避免這些有害機制的發(fā)生�；诜律@頭模擬孕鑲金剛石鉆頭主動克取巖石的主動磨削試驗,本文進一步研究了單元體尺度、數(shù)量和分布等仿生要素對仿生孕鑲金剛石鉆頭磨損行為產(chǎn)生的影響。揭示了上述要素與仿生耦合孕鑲金剛石試樣磨損行為和鉆進性能之間的對應(yīng)關(guān)系。試驗結(jié)果表明,仿生非光滑表面的非光滑度和仿生單元體尺度可以通過影響仿生耦合孕鑲金剛石試樣與砂輪摩擦界面的應(yīng)力分布以及自潤滑效果來影響其耐磨性能和磨削能力。通過近工況條件下仿生孕鑲金剛石微鉆頭的臺架試驗,本文研究了仿生單元體排布、胎體材料力學(xué)性能和仿生單元體的自再生特性對仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭耐磨性能和鉆進效率的影響規(guī)律,進一步驗證了其良好的耐磨性能和鉆進效率。通過對仿生耦合孕鑲金剛石微鉆頭自再生功能的研究發(fā)現(xiàn),仿生耦合孕鑲金剛石微鉆頭表面的仿生單元體具有自適應(yīng)能力,能夠根據(jù)其所鉆巖石的實際特征調(diào)整合適的單元體自再生速率以及單元體深度,以提供相應(yīng)的巖屑捕獲能力和自潤滑能力,從而避免仿生非光滑材料的過度消耗。仿生耦合孕鑲金剛石微鉆頭的自再生結(jié)構(gòu)可以通過不斷自修復(fù)、自生成表面非光滑形態(tài)從而持續(xù)保持較高的耐磨性能和鉆進能力,進而延長仿生鉆頭的服役壽命,提高工作周期內(nèi)的鉆進效率�；谌S有限元建模和有限元分析軟件ansys,本文模擬分析了普通鉆頭模型和仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭模型與巖石相互作用時各組表面的等效應(yīng)力分布,并利用ansys-fluent流場分析軟件分別評價了普通鉆頭模型和仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭模型外流場和溫度場。結(jié)果表明,具有自再生功能的仿生非光滑表面能夠增加仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭底唇面應(yīng)力,提高仿生鉆頭的自銳能力,并使其底唇面應(yīng)力均勻分布,保證其鉆齒整體銳化的同步性。仿生鉆頭還能夠增加作用在巖石上的等效應(yīng)力,使巖石更易達到屈服極限,從而降低鉆進能耗。仿生鉆頭可以在巖石上產(chǎn)生卸荷效應(yīng),使巖石表面的應(yīng)力區(qū)域形成周期性交替,產(chǎn)生疲勞裂隙。仿生鉆頭扭矩的降低,使得鉆頭有用功大幅度提高,從而增加了能量的利用效率。與此同時,鉆頭底唇面的仿生單元體可以為冷卻液提供更多的流動空間,增大換熱的表面積,提高冷卻液的整體流速,引導(dǎo)冷卻液在仿生單元體周圍形成渦流,使冷卻液與鉆頭唇面換熱更充分,強化冷卻液與鉆頭底唇面的對流換熱效率,進而增加仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的服役壽命。本文結(jié)合傳統(tǒng)孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機理和磨損特征,基于上述原理試驗和數(shù)值仿真模擬,從仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的非光滑耐磨、增效和自再生機理等多個角度出發(fā),較全面地分析了仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭各仿生功能耦元產(chǎn)生的磨屑捕集、自潤滑、減粘脫附、應(yīng)力均布、自再生、自適應(yīng)等諸多增益效應(yīng)及其相互之間的協(xié)同規(guī)律,闡釋了仿生耦合孕鑲金剛石的耐磨增效機理與耦合機制,并初步建立了仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的多元耦合效能評價指標(biāo)體系,為仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的優(yōu)化和完善提供理論依據(jù)。
[Abstract]:Impregnated diamond bit is the main tool for mining and geological exploration. With the national energy exploration and mining engineering to deep hard rock and complex formation development, the traditional diamond bit has short service life, technical problems of low efficiency and high energy consumption. The design concept of innovation of impregnated diamond bit, and enhance the service life the working efficiency of the drill, is an important research direction to promote the upgrading of impregnated diamond bit. The biological nature after millions of years of evolution, the formation of innate resistance, self regeneration, self repair and self lubricating function, the design and manufacture of the new drill preparation. This paper provides a natural model of multi factor coupling based on the theory of bionics, dung beetle, earthworms and other typical biological bionic model, designed and fabricated with dynamic non smooth, the in situ regeneration and dispersion self lubricating properties of bionics impregnated diamond bit sample, The passive, active wear test of the drilling test and in working conditions, and the numerical simulation of heat transfer and mechanical state simulation research, a comprehensive interpretation of bionics impregnated diamond bit wear, efficiency and self regeneration mechanism, provide theoretical and technical support for the further development of a new generation of bionic bit, with the important research value and scientific meaning. Wear than passive grinding test evaluation method based on bionic coupling impregnated diamond bit samples by non smooth morphology, structure and function of self regeneration and self lubrication material three coupling element coupling and coordination, the wear resistance and grinding ability was significantly better than that of ordinary diamond impregnated samples. Dynamic self regeneration, non smooth effect is a key factor affecting the bionic coupling impregnated diamond bit parts wear synergistic properties. Good lubrication effect of self lubricating function coupling element can Fruit, reduce friction. The friction interface between the accumulation of small space debris and is the result of "micro ablation", the main reason of matrix spalling and fragmentation of diamond bit excessive wear. The concave bionic non smooth surface can increase the friction interface space, capture the abrasive and wear debris, shorten the scratch, improve the surface stress state, provide the function of lubricating medium and other characteristics of the wear efficiency, to reduce or even avoid the harmful mechanism. Active bionic bit grinding simulation of impregnated diamond bit and rock based on active G, this paper further studies the unit scale, quantity and distribution of elements on the bionic bionic diamond bit the wear behavior of the impact. Reveals the elements and the bionic coupling impregnated diamond wear behavior and the relationship between the performance of drilling. The experimental results show that the bionic Non smooth bionic units and scale through the distribution of stress of bionic coupling impregnated diamond samples and the grinding wheel friction interface and self lubrication effect to influence the wear resistance and the grinding ability of non smooth surface. The bench test in condition of bionic diamond micro drill head, bionic unit is studied in this paper. Body arrangement, matrix material and mechanical properties of bionic units self regeneration characteristics of bionic coupling impregnated diamond bit wear resistance and drilling efficiency were investigated, further verified the efficiency of the drilling and good wear resistance. By studying the self regeneration of bionic coupling impregnated diamond micro drill, bionic bionic units the coupling of impregnated diamond micro drill surface with adaptive capability, can according to the actual characteristics of the rock drilling unit is suitable to adjust the rate of regeneration And unit depth, so as to provide the corresponding debris capture ability and self lubricating ability, so as to avoid excessive consumption of non smooth bionic materials. The bionic coupling impregnated diamond bit micro self regenerative structure through continuous self repair, self generated surface non smooth shape to maintain high abrasion resistance and drilling ability, thus extending the bionic bit service life, improve the work period of the drilling efficiency. Three dimensional finite element modeling and finite element analysis software based on ANSYS, this paper simulates and analyzes the common drill model and the bionic coupling impregnated diamond bit rock interaction model and the equivalent surface of each stress distribution, and the general model and the bionic coupling impregnated bit diamond bit model flow field and temperature field were evaluated using ansys-fluent flow analysis software. The results show that with biomimetic self regeneration function of light The sliding surface can increase the bionic coupling impregnated diamond bit bottom surface stress, improve bionic bit self sharpening capability, and make the bottom surface uniform stress distribution, to ensure the synchronization of the whole tooth drill sharpening. The equivalent bionic bit can also increase the effect on the rock stress, the rock is easy to achieve the yield limit, thereby reducing the energy consumption of drilling. Bionic bit can produce the effect of unloading on the rock, the rock surface stress region is formed periodically, fatigue crack. Reduce bionic bit torque, the hard bit has greatly increased, thereby increasing the energy utilization efficiency. At the same time, the drill bottom surface bionic units can provide more space for the coolant flow, increase the heat transfer surface area, improve the overall flow rate of the cooling liquid and the coolant guide vortex is formed in the surrounding biomimetic unit, the cooling liquid and the lip The surface heat transfer more fully, strengthen cooling liquid and the bit labial surface convective heat transfer efficiency, thereby increasing the bionic coupling impregnated diamond bit service life. This paper combines traditional impregnated diamond bit rock breaking mechanism and wear characteristics, the principle of experiment and numerical simulation based on the bionic coupling impregnated diamond bit non smooth wear, efficiency and self regeneration mechanism of multi angles, more comprehensive analysis of the bionic coupling impregnated diamond bit debris the bionic function coupling element produced by trapping, self lubrication, adhesion, stress distribution, self regeneration, collaborative law between adaptive and mutual gain effect etc. the interpretation of the wear resistant synergistic mechanism and coupling mechanism of bionic coupling impregnated diamond, and establishes the evaluation index system of multi performance coupling bionic coupling impregnated diamond bit, as the bionic coupling impregnated gold Provide a theoretical basis for the optimization and perfection of the diamond drill.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P634.41;TB17

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本文編號：1371620