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可再生沟槽式仿生金刚石钻头的试验研究

作　者: 何龙飞
导　师: 孙友宏
学　校: 吉林大学
专　业: 地质工程
关键词: 仿生学非光滑沟槽耐磨时效凹坑
分类号: P634.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 208次
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内容摘要

仿生学是生物科学与技术科学之间发展起来的一门重要的新兴边缘学科,仿生技术被认为是原始科技创新的不竭动力和源泉,是发展高新技术的重要手段。生物经过长期的自然选择和进化,优化出优良的形态结构和材料表面功能,是人类创造先进技术的仿效对象,并为人类提供了天然的学习蓝本。土壤动物(如蜣螂、蝼蛄、穿山甲等)长期生活在土壤和岩石中,经过亿万年的进化,其体表触土部位呈现出凹坑、凸包、鳞片、波纹等各种非光滑形态,使其不仅具有良好的减少粘附、降低阻力的功能,而且具有非常高的耐磨性能和再生功能。仿造生物体表的特性,将仿生学技术应用到钻头的设计上,理论上可以解决钻头的寿命短、钻进效率低及钻进过程中出现的“打滑”现象等问题。我们在形成钻头非光滑表面上采用在钻头装料时植入一定介质的方法,分为硬质点植入法和软质点植入法,在钻进过程中硬质点植入法在底在唇面形成凸起,而软质点植入法形成凹坑。本文与金刚石钻头的结构设计、制造理论和技术紧密结合,把沟槽式非光滑理论合理地应用在金刚石钻头中,在对仿生孕镶金刚石钻头非光滑表面成形方法系统研究的基础上研制了一种新型沟槽式非光滑孕镶金刚石钻头,目的是想提供一种在钻进坚硬打滑地层时的高效、耐磨碎岩工具。本文设计了两种不同形态的沟槽式非光滑金刚石仿生钻头,通过等比压试验证明在转速为450rpm,钻压为600kgf时,沟槽式仿生钻头钻进效率是普通仿生钻头的5.6倍,是普通钻头的29.7倍。而在其他钻进参数条件下,效率均优于普通仿生钻头和普通钻头。但是强度胎体强度不够是目前没有攻克的难题。

全文目录

论文摘要  4-9
第一章绪论  9-17
  1.1 论文研究的目的及意义  9-10
    1.1.1 研究目的  9-10
    1.1.2 研究意义  10
  1.2 本文研究的主要内容  10-11
  1.3 硬岩钻进用孕镶金刚石钻头国内外研究现状  11-17
    1.3.1 硬岩钻进用孕镶金刚石钻头国外研究现状  11-13
    1.3.2 硬岩钻进用孕镶金刚石钻头国内研究现状  13-17
第二章仿生学简介  17-29
  2.1 仿生学概述  17-18
  2.2 仿生学研究的必要性  18-21
  2.3 仿生学发展状况  21-23
  2.4 仿生学的应用  23-29
    2.4.1 仿生学在建筑工程中的应用  23-25
    2.4.2 仿生学在机械设计的应用  25-27
    2.4.3 仿生学在钻探领域的应用  27-29
第三章仿生非光滑理论研究  29-45
  3.1 典型非光滑体表分析  29-32
    3.1.1 蜣螂的非光滑体表  29-32
  3.2 生物几何非光滑形态分类  32-34
    3.2.1 按结构单元的形状分  32-33
    3.2.2 按结构单元的大小分  33
    3.2.3 按结构单元分布分  33
    3.2.4 按结构单元的力学特性分  33-34
    3.2.5 从整体形态分析  34
    3.2.6 从生态功能分析  34
  3.3 生物非光滑体表形成机理分析  34-36
    3.3.1 生物的进化  35-36
    3.3.2 生物的触土方式  36
  3.4 仿生非光滑表面耐磨特性及其仿生应用  36-45
    3.4.1 摩擦磨损  36-38
    3.4.2 仿生非光滑表面磨损机理  38-40
    3.4.3 生物耦合表面耐磨特性的仿生应用  40-45
第四章沟槽式孕镶金刚石仿生微型钻头的烧结试验  45-53
  4.1 非光滑形成方法简介  45-46
    4.1.1 软支点植入法  45-46
  4.2 胎体中插入硬支点形成非光滑  46-47
  4.3 沟槽式孕镶金刚石仿生微型钻头的烧结试验  47-52
    4.3.1 微型钻头设计  47-49
    4.3.2 微型钻头的加工  49-52
  4.4 试验结果分析  52
  本章小结  52-53
第五章Ф59MM 自再生径向沟槽式孕镶金刚石仿生钻头的试验研究  53-71
  5.1 沟槽式地质岩心钻头的研制现状  53-55
    5.1.1 尖齿形钻头  53
    5.1.2 单阶梯型槽人造孕镶金刚石钻头  53-54
    5.1.3 齿轮形孕镶金刚石钻头  54
    5.1.4 矩齿形钻头  54-55
  5.2 孕镶金刚石钻头的结构设计要素  55-58
    5.2.1 孕镶金刚石  55-56
    5.2.2 孕镶金刚石钻头  56-58
  5.3 Ф59MM沟槽式仿生孕镶金刚石钻头的研制  58-64
    5.3.1 钻头的结构设计  58-61
    5.3.2 钻头的加工  61-64
  5.4 Ф59MM沟槽式仿生孕镶金刚石钻头的室内试验  64-68
    5.4.1 室内试验设备  64-65
    6.4.2 室内试验  65-68
  5.5 Ф59MM沟槽式仿生孕镶金刚石钻头的试验现象与结果分析  68-69
  本章小结  69-71
第六章 Ф59MM 同心圆沟槽式孕镶金刚石仿生钻头的试验研究  71-81
  6.1 研发目的  71
  6.2 Ф59MM同心圆沟槽式孕镶仿生金刚石钻头的研制  71-76
    6.2.1 钻头结构设计  71-73
    6.2.2 胎体粉料配方设计  73
    6.2.3 装料计算  73-74
    6.2.4 混料  74
    6.2.5 装料  74
    6.2.6 钻头的烧结  74-76
  6.3 Ф59MM同心圆沟槽式孕镶仿生金刚石钻头的室内试验  76-78
    6.3.1 室内钻进试验设备  76
    6.3.2 等比压对比试验  76-78
  6.4 同心圆沟槽式孕镶仿生金刚石钻头的性能及碎岩机理分析  78-80
    6.4.1 沟槽式非光滑表面使得钻头唇面的比压增大  78
    6.4.2 沟槽式非光滑表面改善了钻头和岩石的冷却条件  78-79
    6.4.3 沟槽式非光滑表面有利于金刚石的充分利用  79-80
    6.4.4 沟槽式连续非光滑仿生钻头的工作机理  80
  本章小结  80-81
第七章结论与展望  81-85
  7.1 结论  81-82
  7.2 论文创新点  82
  7.3 展望  82-85
参考文献  85-88
攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果  88-89
致谢  89-90
中文摘要  90-92
ABSTRACT  92-94

可再生沟槽式仿生金刚石钻头的试验研究

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