Spherical contact mechanical analysis of roller cone drill bits journal bearing

Fang contact model is introduced to analyze stress of the spherical fixed ring journal bearing.Developed calculation programs in the MATLAB software which are utilized to calculate the contact characteristics of roller cone drill bits spherical fixed ring journal bearing.In addition,effects of external load,radius clearance values,and material parameter on the mechanics performance were investigated.The results show that the value of external load has a direct pronounced effect on the contact characteristics of journal bearing.There is a significant positive correlation between contact pressure and external load,radius clearance value,and the Young's modulus of material.However,there is an evident negative correlation between contact radius of journal bearing and radius clearance value,and the Young's modulus of material.The smaller radius clearance value of journal bearing is,the more centralized contact region will be,so the corresponding contact pressure will be higher.From the perspective of reducing friction and wear,we need select the materials which have high strength and good toughness.Not only might this can improve the wear resistance,it also effectively decreases the contact pressure.In this case,we can prolong the service life of roller cone drill bits journal bearing.

封孔器锥面端头与钻孔残留煤渣的力学作用分析及应用

分析封孔器锥面端头与钻孔残留煤渣的力学作用,有助于利用锥面端头的减阻效应,提高封孔器的送入孔深与速度。首先,在锥面端头受力分析基础上,推导了锥面端头移动最小推力计算公式,并通过试验研究验证了其正确性;然后,分析了堆积煤渣承受的侧向力,并揭示了锥面端头减阻机理;最后,应用理论研究结果,提出了锥面端头优化设计思路,改进了封孔器,并开展了现场试验。试验结果表明:锥面端头移动最小推力与端头重力、端头锥面角度、端头锥面与煤渣的最大静摩擦系数、堆积煤渣厚度和端头锥底半径均呈正相关性关系(与锥面角度呈正切函数关系);锥面端头通过降低堆积煤渣厚度及接触面顶端堆积煤渣剪切应力实现减阻;改进型封孔器可以降低阻力、提高送入速度与孔深。

深基坑支护旋挖成孔灌注桩施工技术研究

珠三角地区孤立岩块众多,若处理不当,会严重影响基坑施工质量。为处理孤石异常发育、硬质夹层较厚且埋藏较深等不利状况,结合广州开发区SDK-A2-1地块项目二标段基坑支护工程,针对复杂的深基坑地质条件及岩层硬度,寻求最佳施工机械、优化施工工艺、提高破岩效率,本文总结出一套深基坑支护旋挖破岩成孔灌注桩施工技术。其技术工艺简单,操作方便,无安全隐患,有较高的实用价值,能明显缩短工期和降低成本,节能环保。由于其施工具有安全性和实效性,故可在岩土工程领域进行广泛应用。

锥探灌浆技术在小型水库大坝除险加固工程的应用探讨

为较经济解决某些小型水库均质土坝的严重渗漏问题,借鉴锥探灌浆技术在堤防防渗广泛应用经验,结合已实施的工程案例,通过地勘渗透试验分析和渗流稳定分析其合理性,并提出了实施要点:建议在水库坝高不大于20 m均质土坝,渗透系数、压实度均不满足土石坝设计规范要求且坝体渗漏量不大情况下,采用锥探灌浆技术较为适宜;灌浆应在坝前水位降至死水位后实施;应根据大坝的地勘报告、坝高和坝体渗流量等因素综合确定施工参数;施工中应设置大坝变形观测断面,实时监测大坝位移、沉降和检查变形、裂缝及冒浆情况。

一种软土地区随钻静力触探测试设备研制及应用

基于XY180型钻机及绳索取芯技术,研发了一种软土地区随钻静力触探测试设备。该设备由钻机本体、主动钻杆、变径接头、钻管、钻头、孔内悬挂定位装置、探头接杆及探头、铠装电缆及绞车等组成,通过铠装电缆下放到钻管底部进行静力触探测试,单次可获得1.0 m~3.0 m的静探测试数据。该设备通过铠装电缆进行吊装、打捞及信号传输,有着施工简便、信号抗干扰能力强、免提钻等优点。目前已将该设备初步应用于软土地区常规勘察项目中,取得了良好的测试成果。

降低JY200圆锥破碎机大齿轮螺栓断裂频次的研究

银山矿业有限责任公司选矿厂现有的JY200型圆锥破碎机在运行过程中经常会出现大齿轮螺栓断裂的情况,且维修频次高、单次拆解更换时间长、拆解过程复杂,这极大地降低了该型圆锥破碎机的运转效率,增加了半自磨的能耗。该厂针对上述问题开展了技术攻关,分析出了导致大齿轮螺栓断裂的主要原因:一是两套除铁系统的除铁效果不佳;二是原有螺栓能够承受的拉应力十分有限。该厂对症下药,实施了系列改进举措:通过改善半自磨机排铁机构和皮带除铁器的除铁效果,有效地减少了破碎机过铁现象的出现;通过重新钻孔、攻丝,增大了大齿轮螺栓的直径,有效提升了其抗拉强度。系列改进措施实施后,直接将大齿轮螺栓的使用寿命提高了3倍以上,每年可减少维修费用约3.6万元,同时还可提高半自磨机的运转效率,为该厂带来显著的经济效益。

饱和砂土中不同钻探工艺下SPT击数的关系研究

对南昌赣江(南支)与抚河(故道)入湖尾闾河道之间的湖积冲积平原区域内采用冲击钻进和回转钻进所做的SPT击数进行对比分析,得出两类钻探工艺的击数差异;并采用对砂层扰动较轻的静力触探试验(CPT)作为标准贯入试验(SPT)的对比试验,用以检验两种钻探工艺的SPT击数所反映的砂土密实度与真实密实度的差异,同时得到三点认识:(1)在饱和砂层中采用冲击钻进做SPT,对砂层的扰动很大,建议采用回转钻进进行SPT;(2)冲击钻进对粗颗粒砂土的扰动程度大于细颗粒砂土;(3)冲击钻进对浅部砂土的扰动影响较大,随着埋深增大,冲击造成的扰动影响越来越小。最终建立两种钻探工艺不同深度段各砂土的SPT击数经验关系式。

冲(钻)孔灌注桩疑问桩的检测与分析

文中以实际工程中的疑问桩进行静载荷试验,并利用低应变测桩技术和现场钻孔取芯技术对静载荷试验结果进行验证,所得结论如下:(1)明确了灌注桩静载荷试验机理,并对疑问桩展开静载荷试验,静载荷试验结果表明,工程中的172^(#)、176^(#)桩竖向承载力均不能满足原设计要求,桩身可能存在缺陷;(2)通过低应变测桩技术和现场钻孔取样结果对静载荷试验进行验证,相关工作所得结果进一步论证了静载荷试验结果的正确性。

双锋角钻头钻削碳纤维增强树脂基复合材料钻孔缺陷的研究

针对碳纤维复合材料钻孔时易产生撕裂、毛刺等缺陷的特点,采用双锋角钻头为研究对象,从横刃、第一主切削刃和第二主切削刃对孔入、出口缺陷的影响和加工参数对撕裂因子的影响规律等方面分析双锋角钻头钻孔特点,并与普通麻花钻进行对比。结果表明:在相同的加工参数下,双锋角钻头双主切削刃加工特点降低了入、出口钻削轴向力,有效抑制了入、出口撕裂、毛刺等缺陷产生,更适合于钻削碳纤维复合材料。主轴转速增大有利于减小撕裂因子,随着进给速度的增加撕裂因子呈增大的趋势。采用多元线性回归方法建立了试验两种钻头钻孔入、出口的撕裂因子与加工参数之间的回归预测模型。

三牙轮钻头破岩过程计算机仿真模型

进行钻头钻进过程的仿真对于优化钻头设计、提高破岩效率以及钻头选型都有着重要的应用价值。以现场实钻数据为基础,采用"黑箱法"为钻头钻进岩石互作用仿真模型的基本建模方法,对决定钻头钻进性能的齿坑模型和牙齿吃入岩石的力-吃深模型进行了仿真建模。并采用误差梯度下降算法来估计不同钻头结构和岩石性质所对应的模型参数,进而实现对钻头钻进过程的仿真。采用实钻数据反演的建模思路有利于利用大量的现场数据实现对模型的完善,更好地反映现场的各种钻井工况,使钻头破岩仿真技术在实用性和经济性上前进一大步。

采用BP神经网络预测碳纤维增强树脂基复合材料的钻削力

采用双锋角钻头对碳纤维复合材料进行钻削试验,基于反向传播算法的人工神经网络建立钻削轴向力与主轴转速、进给速度之间的非线性关系模型,对比分析三种不同第二主切削刃与第一主切削刃之比的双锋角钻头在试验加工参数下钻削轴向力变化规律。结果表明:与多元线性回归预测模型对比,在相同试验数据为基础的预测计算下,BP神经网络预测值相对误差明显减小,网络预测值误差均在3%之内,而多元线性回归模型最大误差值达到了12.46%,BP神经网络能建立更精准轴向力预测模型。从降低钻削轴向力的角度分析,应采用第二主切削刃与第一主切削刃之比为1的双锋角钻头进行钻削加工。

月壤剖面锥型螺旋刃成孔钻头设计

针对月壤剖面钻进成孔探测需求,提出一种锥型螺旋刃成孔钻头,建立其钻进排屑性能的理论模型,并以此开展钻头结构参数的优化设计。在此基础上,分析螺旋刃切削姿态及其切削参数,基于直线刃平面切削理论建立锥型螺旋刃成孔钻头钻进切削负载预估模型,开展锥型螺旋刃成孔钻头模拟月壤剖面钻进负载特性试验验证。研究结果表明,相比于直线刃钻头,锥型螺旋刃成孔钻头的钻进排屑性能更优,而且钻进切削负载模型与试验结果具有较好的吻合度。研究成果对我国拟实施的月面钻取采样工程具有重要的借鉴价值。

小尺寸单牙轮钻头轴承设计研究

目前，在我国单牙轮钻头的结构设计还没有标准系列，因此本文应用有限元法，建立了小尺寸单牙轮钻头轴承的力学模型，并推导出了轴承与牙轮接触区域的分布载荷ｐ（θ）的具体表达式，突破了常规的集中载荷法的钻头轴承设计。文中所建立的有限元力学模型，可对轴承内部的应力进行详细地分析，并能确定出轴承内的危险点及危险区域，为轴承强度设计提供理论依据。同时文中给出了轴倾角β＝３０°时，小尺寸单牙轮钻头结构尺寸系列及其相应的屈服钻压和设计钻压。

基于单齿侵入理论的牙轮钻头钻速方程

考虑井底水平地应力、钻井流体压力及地层孔隙压力,基于单齿侵入理论推导单齿侵入井底岩石的侵深公式,建立纯滚动锥形齿、楔形齿和滚动、剪切复合运动锥形齿等牙轮钻头的钻速方程.通过实验分析刃尖角、井底液柱压力对单齿侵入深度的影响,以及转速、轴向载荷对微钻头、牙轮钻头机械钻速的影响.结果表明:随着牙齿刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的侵深呈指数递减趋势;随着井底液柱压力的增大,牙齿侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿降低速率大.在软到中硬地层中,牙齿侵入深度大,冲击侵入、回转剪切复合破岩方式的破岩效率高;在硬度地层中,牙齿侵入深度小,纯滚动冲击侵入破岩效率高.为分析实钻时牙轮钻头的机械钻速提供计算方法.

三牙轮三喷嘴钻头井底射流辅助破岩机理分析

由于井底射流辅助破岩的复杂性,其室内模拟试验和理论分析均有较大难度,所获得的结论多以经验性的、定性的解释为主,还未能建立能用于实际的、确定有效的理论。为此,采用有限元方法模拟分析了三牙轮三喷嘴钻头井底射流流场,结合井底岩石应力状态和岩屑启动机制的分析,探索了井底射流辅助破岩的机理。研究结果表明,三牙轮钻头三个喷嘴直径的不同,致使井底流场高压区和低压区并存,钻头旋转,带动流场局部低压区周期性地覆盖井底,使得岩石破碎强度和岩屑启动的难度降低,钻头的破岩钻进效率提高。喷嘴间直径差别的增大,使得井底流场高压区和低压区之间的压差增大,钻井机械钻速提高。研究结果与现场试验结论一致。

巴润铁矿岩石可钻性试验研究

岩石可钻性分级至今尚不统一,各种方法适用对象不同,目前流行的方法多针对石油行业的沉积岩,不适合金属矿山。对巴润铁矿分布复杂、变质化的火成岩进行了代表性广泛的取样,对其进行了全面的物理、力学特性实验;对牙轮钻穿凿各种岩体进行了现场试验。研究结果表明巴润铁矿矿岩的可钻性与物理、力学特性具有很好的相关性。

双锋角钻头钻削碳纤维增强树脂基复合材料研究

采用双锋角钻头和普通麻花钻对T700碳纤维复合材料(CFRP)进行钻削试验,从钻削轴向力、制孔出口质量和表面粗糙度等方面分析双锋角钻头在不同加工参数下制孔特点,并与普通麻花钻进行对比。试验结果表明:与普通麻花钻对比,双锋角钻头钻削CFRP时钻削轴向力减小约20%,制孔出口质量更好,孔壁的表面粗糙度值减小,体现优异的切削性能更适合CFRP的制孔加工。

围压下牙轮钻头单齿对不同岩石的破岩试验

为牙轮钻头的设计提供可靠的试验数据,利用模拟深井井筒试验架模拟深井钻井环境,选取具有代表性的3种岩心进行试验,测量得到了牙轮钻头单齿在不同的围压条件和岩石下载荷、位移、围压—单位能量破碎体积以及围压—破碎坑体积等试验数据。对试验结果进行分析,得到了围压作用下对于所试验的岩石和齿形,压入载荷和压入位移成线性关系;岩石破碎坑的体积随压入载荷的增加而减小;在以相同齿形压入相同岩石的条件下,岩石的破碎面积和体积随围压的增加而减小。在相同的岩石和相同围压的条件下,抛物线形齿破碎岩石所需载荷最小,楔形齿次之,球齿所需载荷最大。同时还得到了岩石性能对破碎效率的影响规律以及破碎比功随破碎体积的变化规律。

欠平衡下牙轮钻头牙齿侵入系数及钻速研究

欠平衡条件下,钻井机械钻速大幅度提高,但钻头牙齿的侵岩机理至今尚不清楚以岩石侵入理论为基础,在考虑欠平衡钻进条件下,针对牙轮钻头侵岩、破岩问题展开研究,推导了欠平衡钻进井底条件下牙轮钻头牙齿的侵入系数方程,并进一步建立了欠平衡钻进条件下的钻速模型。岩石侵入系数不受牙齿载荷和侵深的影响,是一个描述岩石抗侵入能力的基本参数。以徐深气田为例,理论和实验分析了内摩擦角和刃尖角对侵入系数和机械钻速的影响。结果表明,随井底有效法向应力的增大侵入系数增大;随内摩擦角和刃尖角的增大侵入系数呈指数增大;随有效法向应力的增大机械钻速明显减小;随内摩擦角和刃尖角的增大机械钻速呈线性减小。

深孔加工负压排屑系统的优化设计仿真研究

在机械制造业中,孔加工是一大难点,深孔加工又是最困难的一种。研究负压排屑系统对深孔加工的排屑这一难题有重要意义,尤其在准干式深孔加工中。通过对已有深孔钻削负压系统工作原理的理论分析,且对深孔加工负压系统中的流体建立了数学模型,文中提出一种新型高效的双曲面负压系统,并利用Fluent软件进行流体运动的压力场和速度场仿真分析。通过对比负压系统的总压速度云图、总压和速度XY散点图,研究结果表明:双曲面结构比锥面结构的负压效果更明显,试验结果与理论分析相吻合。