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可再生沟槽式仿生金刚石钻头的试验研究

何龙飞  
【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。


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