泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。

基于月壤物理力学特性的单齿破壤机理

单齿破壤机理的研究是太空取样钻头研发非常重要和迫切的任务,是实现中国三期探月工程的月表钻进取样要求的重要研发基础。分析了反映月壤物理力学特性的主要参数及其之间的相关性及变化趋势,初步确定了2.5m深度内月壤物理力学的参数范围;基于月壤物理力学特性和月表钻进的钻进工艺分析,得出表层钻进和浅层钻进时月壤的破坏形式不同于土的掘削失效模型,主要是回转剪切破坏;提出了土的回转剪切力学模型,推导回转切削土阻力矩公式;得出阻力矩主要与钻头直径和切削刃宽度、月壤的容重和钻进深度等相关,并对其相关性进行了分析说明。

考虑岩石破碎程度的数字化钻进单齿推力模型

数字化超前钻探依赖于建立随钻参数与围岩特征之间的定量关系,如何定量分析围岩破碎程度对于推力的影响是个重要难题,对于预测不良地质地层具有重要意义。提出一个基于小孔扩张理论的单齿推力理论模型,模型采用HoekBrown破坏准则和非关联流动法则,描述岩石破碎程度对于岩石强度的影响。基于弹塑性力学,推导小孔扩张模型的应力场和位移场,并将模型应用到岩石贯入试验中,建立单齿贯入岩石过程中贯入深度与无量纲塑性区半径的定量关系。该理论模型考虑了刀头形状参数、岩石破坏程度和围压等重要参数对于推力的影响,并可以得到单齿贯入岩石过程中贯入深度与贯入力的定量关系。为验证模型的准确性,开展2种不同地质强度指标的楔形探头贯入岩石试验,试验结果与模型曲线趋势及数量级一致。将模型预测结果与文献中试验数据相对比,进一步验证了模型的可靠性,且表明本文模型在实际工程利用贯入力预测掌子面围岩破碎程度时更趋于安全。参数分析研究表明,岩石破坏程度、围压和岩石强度参数对于推力影响较大,推力与地质强度指标呈负相关关系,与围压和楔形刀头倾角呈正相关关系。结合钻头中单齿分布情况,该理论模型可以用来探讨实际工程推力参数与围岩参数的关系,推进实现数字化超前钻探。

基于Pro-E的航空弧齿面齿轮的三维实体仿真研究

基于啮合原理和微分几何的理论,推导了航空弧齿面齿轮啮合传动的齿面方程;通过对齿面方程的计算并利用Pro-E的造型功能,首先建立了该面齿轮的单齿模型,然后在单齿模型的基础上生成了整体模型。

一种改进的非线性接触齿廓修形直齿轮啮合刚度分析方法

时变啮合刚度是齿轮副的周期性内部激励,是齿轮传动系统振动和噪声问题的主要来源。针对齿廓修形的直齿轮啮合刚度计算问题,从能量等效思想出发,结合悬臂梁模型,考虑接触对间的非线性接触,提出了一种改进的非线性接触齿廓修形直齿轮啮合刚度解析模型。首先,在已有文献的基础上,将轮齿简化为齿根圆上的悬臂梁,三维的齿轮副传动模型转换为二维的平面齿廓,进行了接触分析,考虑齿对间的非线性接触,通过能量法构建了齿廓修形直齿轮单齿啮合刚度半解析模型;然后,补充了变形协调与力平衡方程,导出了齿廓修形直齿轮副综合啮合刚度模型;最后,将采用该方法所得结果与有限元计算结果进行了对比,完成了对该计算方法的验证,并分析了不同摩擦系数与齿轮参数对齿轮啮合刚度的影响规律。研究结果表明:相较于传统的有限元计算结果,采用该解析模型得到的计算误差在3%以内,计算速度提高150倍,在精度损失较小的情况下,能够实现对非线性接触齿廓修形圆柱齿轮啮合刚度的快速求解。