PDC錨桿鉆頭的破巖機(jī)理與優(yōu)化

       PDC(聚晶金剛石復(fù)合片)錨桿鉆頭因?yàn)楸旧愍?dú)特的結(jié)構(gòu),因而在鉆進(jìn)軟到中硬巖層時(shí),比普通的合金鋼材質(zhì)的錨桿鉆頭有更加良好的切削巖石的能力,并且鉆進(jìn)速度高,復(fù)合片摩擦損耗慢,對(duì)于錨桿鉆孔的效率有極大的提升,因而有很大的使用經(jīng)濟(jì)價(jià)值,得到了非常廣泛的應(yīng)用。

　　但是由于PDC錨桿鉆頭獨(dú)特的結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了它在受力過(guò)程中,不能承受過(guò)大的應(yīng)力變化,在硬質(zhì)巖層和非均質(zhì)地層中無(wú)法發(fā)揮自身的優(yōu)良性能,所以對(duì)PDC錨桿鉆頭破碎巖石的理論依據(jù)以及幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)有重要的意義。

　　參考前人的PDC鉆頭相關(guān)理論,探討了PDC錨桿鉆頭的破巖機(jī)理所需的條件,認(rèn)為在復(fù)合片鉆進(jìn)巖石時(shí),切入破巖的主要影響因素有鉆頭的幾何參數(shù)、巖石的不同巖性以及鉆進(jìn)的參數(shù)等。其中,由于巖石的力學(xué)性質(zhì)使得巖石的剪切破碎比旋轉(zhuǎn)時(shí)的擠壓破碎更容易發(fā)生,所以尤其是對(duì)脆性巖石,選擇破巖中發(fā)生的擠壓破碎可以省去不考慮；參考了前人的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)經(jīng)驗(yàn),分析了PDC錨桿鉆頭鉆進(jìn)巖石過(guò)程中的失效形式有摩擦損耗和沖擊損壞,并且沖擊損壞還包括了復(fù)合片層的碎裂和剝落,也對(duì)鉆頭沖擊損壞的機(jī)理進(jìn)行了探討,認(rèn)為復(fù)合片自身性能缺陷對(duì)損壞起重要作用；還對(duì)上面所提的沖擊損壞機(jī)理做了概述；

　　對(duì)PDC錨桿鉆頭做屈曲分析,計(jì)算前幾階模態(tài)及與之相應(yīng)的臨界載荷,以判定鉆桿鉆頭在不同圍巖應(yīng)力下,由穩(wěn)定過(guò)渡到不穩(wěn)定時(shí),鉆頭是處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),還是處于屈曲不穩(wěn)定狀態(tài);分析PDC錨桿鉆頭的幾何參數(shù)與最大應(yīng)力的關(guān)系曲線圖；分析PDC錨桿鉆頭在鉆進(jìn)砂巖、泥巖等不同巖層時(shí),幾何參數(shù)對(duì)于排屑的影響；分析PDC錨桿鉆頭的模式形態(tài),以及與不同長(zhǎng)度的鉆桿作為整體時(shí)的模態(tài),確定鉆頭不產(chǎn)生共振的安全轉(zhuǎn)速范圍；建立PDC錨桿鉆頭振動(dòng)鉆削的動(dòng)力學(xué)模型。

　　鉆削過(guò)程中,鉆頭與工件周期性地離開(kāi)和接觸,分析阻尼系數(shù)對(duì)PDC錨桿鉆頭鉆削的影響。調(diào)研鉆頭的主要失效形式,分析不同圍巖下PDC錨桿鉆頭破巖機(jī)理及鉆頭損壞的主要影響因素,提出改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬,對(duì)影響PDC錨桿鉆頭鉆進(jìn)效率的主要影響因素進(jìn)行了研究,主要影響因素為幾何參數(shù)中的齒前角α和側(cè)轉(zhuǎn)角β,分析參數(shù)的目的是為了能夠更好改進(jìn)PDC錨桿鉆頭,以提高它的效率與壽命,減少生產(chǎn)難度。所以研究PDC錨桿鉆頭的破巖機(jī)理和優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要的意義