钎焊单层金刚石薄壁钻头钻削工程陶瓷的研究

利用高频感应钎焊技术, 制备3种粒度的单层金刚石薄壁钻头。采用恒压的方式, 在不同的载荷条件下, 对工程陶瓷进行钻削实验, 记录钻削过程中的扭矩, 并观察钻削后钻头端面金刚石磨粒的磨损状态。结果发现, 钎焊金刚石薄壁钻头在钻削过程中, 材料的加工效率不是简单的随磨粒粒度、外载荷的增减而增减, 而是存在一种动态的关系; 工程陶瓷的加工效率同磨粒的具体形貌关系密切, 在特定的加工条件下, 磨粒发生磨平磨损, 则陶瓷材料将以塑性变形为主, 加工效率低, 钻削过程中扭矩增大; 磨粒发生微观破碎, 则陶瓷材料将以断裂破碎方式去除, 加工效率高, 钻削过程中扭矩较小且平稳。     

小直径钻削温度场的研究

对直径为2 mm的高速钢钻头在允许的最大切削速度和进给量条件下,对45钢进行钻孔时的切削温度进行了理论计算和实际测量,得到了钻头前刀面上切削温度值远远低于高速钢耐用度时的温度值,此时钻头磨损的主要形式是机械磨损的结论。     

SiCp/Al-MMCs的超声振动钻削力特性研究

通过一系列实验,使用不同材质的硬质合金麻花钻,对不同重量百分含量的SiC_p/Al -MMCs进行了普通钻削与超声振动钻削的对比研究,并比较了在加工中转速和进给量的变化对轴向力及扭矩的影响,得出了相应的结论。     

不锈钢小深孔高速钻削加工参数优化

在讨论不锈钢小深孔高速钻削加工中主轴转速和进给量对钻头寿命影响的基础上,通过钻削试验确定了不锈钢小深孔高速钻削加工参数优化的范围和优化方向。研究结果不仅有利于提高不锈钢小深孔的加工效率、降低加工成本,对其他类型材料的高速钻削加工也有借鉴意义。     

孔轴向振动钻削轴向力和扭矩分析与仿真

首先对轴向振动钻削情况下三区段的轴向力和扭矩进行分析,为理论计算提供参考;接着采用有限元成形软件Deform-3D对普通钻削和轴向振动钻削进行仿真,获取加工时的轴向力、扭矩的变化曲线,与普通钻削情况下的曲线做对比,得出轴向振动钻削情况下的轴向力及扭矩大幅降低,因而轴向振动钻削是改变切削效能的一种新颖的加工方法。     

基于回归正交试验的枪钻振动钻削研究

枪钻轴向振动钻削深孔的过程中,钻削力的变化情况复杂,且对深孔的加工质量、刀具的磨损度都有影响,尤其是轴向力和扭矩。为了获得枪钻轴向振动钻孔的轴向力和扭矩受振动参数的影响规律,运用正交试验,结合有限元模拟软件Deform-3D,对枪钻钻头轴向振动钻孔过程进行正交仿真试验,并用多元线性回归法对试验数据进行分析,建立起轴向力和扭矩的回归经验公式。     

液压式振动钻削系统研究及试验

在煤矿钻井发展过程中,一些矿用精密仪器,诸如测斜仪、轨迹仪等精密仪器需求量越来越大,在仪器加工过程中,钻孔对整个仪器的精度影响很大,传统的仪器钻孔加工采用的是普通钻床,采用普通钻床进行加工导致的直接后果就是加工精度极低,这使得国内仪器的精度很差,而振动钻削的出现则解决了这一问题,但目前国内对该技术尚处于研究阶段,因此,设计了一种液压式振动钻削设备,加工完成后对其进行了试验,试验结果显示该设备可行。     

基于数字钻孔的钻头磨损与随钻参数关系研究

通过随钻参数反演岩石力学参数是数字钻孔技术的核心问题,PDC钻头是数字钻孔技术中破岩的主要结构。为了分析PDC钻头磨损程度对随钻参数的影响,基于煤矿液压锚杆钻机建立了数字钻进系统。利用该系统进行了钻头不同磨损程度下的数字钻进试验,同时结合有限元软件对钻进过程进行模拟,研究了PDC钻头磨损条件下随钻参数的变化规律。研究结果表明：钻进过程中各随钻参数之间的相关性与岩石强度变化规律显著;随钻参数对钻头磨损程度响应明显,在相同动力以及岩石强度条件下,钻进速度随着钻头磨损程度的增大而减小,钻杆扭矩随磨损程度增加而增大。试验结果与数值计算结果变化规律一致,证明了钻头不同磨损程度对于数字钻孔技术确定岩石性质具有重要影响。该研究为PDC钻头在数字钻孔中合理调整钻进参数以及反演岩石力学参数提供了参考。     

改进型PDC钻头切削齿室内破岩试验研究

表面带碳化钨保护层的新型聚晶金刚石复合片既可保持复合片的自锐特性及耐磨性，又可以避免切削齿的崩裂、掉块现象。试验结果表明，在硬地层中，新型ＰＤＣ切削齿在钻速、切削齿强度和寿命方面与常规ＰＤＣ齿相比具有更好的工作性能。     

岩层破裂状态与钻削机构振动响应特性研究

针对煤巷顶板煤岩的复杂性及顶板岩层破坏难以有效控制、预测问题,考虑钻头与煤岩相互作用产生耦合振动,通过分析锚杆钻头的受力及其振动特性,以煤岩硬度f=4.2,3.5,2.55为例研究钻削机构钻削完整岩石与破碎岩石时的耦合振动特性。利用最小二乘法原理拟合振动曲线,消除趋势项,并对曲线进行平滑处理。研究表明:在相同钻削条件下随煤岩硬度的增加,钻削机构横向振动半径有所增大;钻削相同硬度煤岩的完整岩石和破碎岩石时钻削机构横向振动半径随煤岩破裂程度的增加而减小。可据此来判断煤巷锚孔内煤岩破碎的范围,进而预测顶板是否存在冒顶隐患及冒顶隐患的程度,亦可据此判断煤巷锚孔内稳定岩层的位置和厚度,为顶板支护参数的设计提供技术支持。     

磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率研究

针对煤矿中穿硬质岩层钻孔预抽瓦斯时钻进困难这一问题,在理论分析孔底“凸台”的形成是导致传统旋转钻头钻进困难主要原因基础上,提出了磨料射流联合机械齿钻进硬岩新方法,即利用磨料射流强大的冲蚀能力,预先消除“凸台”,形成先导孔,进而改变传统旋转钻头钻岩机理,达到提高硬岩钻进效率目的。利用断裂力学理论与能量守恒原理揭示了磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率机理。设计发明了一种破碎硬岩钻头,总成了一套联合钻进硬岩实验系统,并完成了一系列新技术与现有技术的对比实验研究。结果表明,相同条件下,钻头钻进效率较现有技术条件提高63%,承受轴向力与扭矩分别下降约15%和20%,钻头磨损明显减轻。     

PDC钻头钻进岩石破碎过程及其与钻进规程参数关系的分析研究

PDC复合片钻头在地质勘探和石油天然气钻井等领域得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于其碎岩过程及其与钻进规程参数间的关系研究不够深入,影响了技术经济指标的进一步提高。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多工作,取得了一定效果,值得引起我们的注意。例如,他们建议,由于岩石破碎方式是变化的,所以,尽量使岩石破碎处于体积破碎状态;如果把钻头每转进尺能耗量指标作为一个评价指标考虑进去,则评价系统会更加科学和更加全面;钻头每转进尺,不是越高越好,有一个最优值,这个最优值与钻进规程参数密切相关;提出了临界钻进规程的概念,即当轴载和转速的乘积高达一定数值时,切削具温度急剧上升、钻头磨损明显加剧,冲洗液量再大也无济于事,因此,此时应该采取措施,及时调整规程参数,避免钻进过程处于临界规程状态,以便使钻进处于正常状态,继续钻进下去。     

高温硬岩空气潜孔锤钻头设计

干热岩试验性开发井钻井施工,在高温硬岩的地层条件下,如何实现高效钻进仍存在很多技术难点。空气潜孔锤钻进技术是解决硬岩地层钻进的有效方法之一,潜孔锤钻头是空气潜孔锤钻进的关键器具。根据青海共和干热岩GH-01井空气潜孔锤钻进技术应用情况,分析探讨了空气潜孔锤钻头断齿、掉齿、磨损严重、使用寿命短等问题,从钻头结构设计、钻头材料选取、钻头冷压固齿工艺等几个方面对空气潜孔锤钻头进行了优化。固齿优化过程中采用有限元分析方法,对钻头冷压固齿过盈量进行仿真分析计算,根据分析计算结果确定最优固齿过盈量。通过对潜孔锤钻头结构、材料、加工等优化,为适用于高温硬岩的空气潜孔锤钻头研制提供了借鉴。为提高空气潜孔锤钻进综合效率,为干热岩钻探开发提供了技术支持和技术储备。     

提高钎头在坚硬强磨蚀性矿岩凿岩中使用寿命的探讨与实践

矿岩性质是凿岩效率和成本的关键制约因素,延长钎头寿命是提高凿岩效率、降低成本的有效措施。针对钎头在坚硬强磨蚀性矿岩凿岩中使用寿命普遍较低的问题,提出了提高钎头在坚硬强磨蚀性矿岩凿岩中使用寿命的途径和方法:一是改进钎头体型设计,优化结构参数,提高合金有效利用率;二是采用科学正确的钎头修磨方法。     

径向水平钻孔直旋混合射流钻头设计与破岩特性

为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题,设计了一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流钻头。给出了射流钻头设计方法,通过破岩实验,分析了直旋混合射流钻头结构对其破岩特性的影响。结果表明,直旋混合射流结合了直射流和旋转射流优点,比锥形喷嘴圆直射流扩孔能力强,比纯旋转射流钻孔深度大。影响直旋混合射流钻头破岩效果的结构参数较多,存在最优破岩效果结构参数,可通过不同参数组合调节破岩钻孔特征。需要进一步开展流场结构与破岩机理分析,为径向水平钻孔中射流钻头的设计提供更好的指导。     

Preliminary estimation of rock mass strength using diamond bit drilling operational parameters

In many mining engineering applications such as prospecting, development, production and grouting, diamond bit drilling is widely used due to high penetration rate, core recovery and its ability to drill with less deviation. It has been well known that the operational parameters of diamond bit drilling are closely related with rock mass strength properties. One of the most widely discussed subjects in drilling is the possibility of using diamond drill bit operational parameters for preliminary estimation of rock mass strength and deformability properties used in many mining engineering design projects. Once such rock properties are estimated, it will be possible to make tactical planning decisions as mining progresses. In this study two different techniques, multiple regression and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) were used to develop the models for preliminary estimation of rock mass strength. The variables used in the models are widely known and recorded operational parameters of diamond bit drilling such as bit load, bit rotation and penetration rate. To develop the models, a database covering the rock properties and the machine operational parameters collected from seven different drill holes in Turkey was constructed. Results indicate that both regression and ANFIS-based models can successfully be used to predict the rock mass strength. Adaptive neuro-fuzzy inference model exhibits better performance according to statistical performance indicators. By means of the developed models it is possible to estimate the strength of rock mass during drilling operation, especially in weak and highly fractured rock masses. The estimated strength parameters can be related to further mining engineering applications such as the assessment of excavatability, blast design and even mine design studies.     

孕镶金刚石钻头高转速钻进磨损失效与规程参数研究现状

孕镶金刚石钻头高速回转钻进是深地硬岩取心钻进的主要方法之一,虽然其广泛应用于各个领域,但仍存在钻进性能不稳定、钻头磨损异常等问题,原因在于对钻头-岩石界面规律及动态磨损过程的认知仍然不够清晰。本文综述了目前对孕镶金刚石钻头碎岩力学响应模型的研究现状,总结了钻头磨损机制在不同钻进规程参数下与碎岩方式和钻进速度间的关系,孕镶金刚石钻头磨损失效机制可以概括为钻头-岩石界面二体磨损和三体磨损的循环过程。介绍了国内外学者对超过常规转速区间下临界钻进规程的研究,新规程的探索对孕镶金刚石钻头高速钻进的发展具有重要意义。     

岩石钻掘过程钻头受力动力学解析模型

为深入研究钻头在岩石钻掘这一动力学过程中的受力变化规律,对钻头的钻掘过程进行了系统的动力学分析,建立了描述钻头在岩石钻掘过程中力与运动间关系的微分方程组,归纳了运动条件下影响钻头受力变化的各种影响因素。在对钻头钻掘岩石的运动过程进行解析的基础上,提出了运动条件下钻头压入力和切削力的解析计算方法,并分别给出了压入力和切削力的动力学解析方程。进行岩石钻进力学测试实验,结合相关实验结果对动力学计算模型和静力学计算模型进行了对比分析,研究表明：钻头在钻掘岩石过程中的受力与其运动状态密切相关;在其它条件一定情况下,钻头所受的压入力和切削力均随钻头推进速度V的增加而增加。计算结果显示动力学解析模型比传统静力学计算方法更接近实验测量值,而且更有利于直观方便地指导工程实践。     

海底硬岩钻探的现状与前景分析

海底硬岩是世界大洋钻探实现"莫霍钻"目标必然钻遇的地层。世界大洋钻探实施的航次中已多次钻遇海底硬岩,不仅采获了岩心样品,也在钻进施工中发现了诸多问题。本文搜集了近年来世界大洋钻探实施的309、312、335、360和384等有关海底硬岩钻探航次的资料,在对航次情况简要介绍的基础上,重点阐述了目前海底硬岩钻探在钻头、井壁稳定以及取心工具等方面遇到的挑战以及采取的应对措施,并对今后海底硬岩钻探的发展进行了展望。     

月面深部钻进钻头及钻进规程的优选研究

我国“嫦娥“工程第三期已经实现对月球的探测及取样。针对进一步月球深部的可行性探索,本文基于月面深部钻进钻头及钻进规程的优选问题,设计正交试验。分析钻头类型和钻进规程参数对钻进效率和功耗的影响。试验结果表明,PDC钻头以高达3.98 mm/s的钻速及中等的钻进功耗远优于其他类型的钻头。从试验因素的影响程度、取心效果和排屑能力的角度研究钻进规程引起的钻进效率和功耗的变化,结合理论模型得出转速、钻压和泵量与钻速和功率之间的关系。针对试验结果初步优选出最佳钻头类型和钻进规程组合,为后续钻进试验提供技术支撑。