硬岩钻进用仿生PDC切削齿优化与破岩机理研究

孙荣军^1,2，谷拴成¹，石智军^1,2，李泉新²，张幼振²

1. 西安科技大学建筑与土木工程学院2. 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司

摘 要：为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩效率,将仿生非光滑理论应用到PDC切削齿的表面形态设计中,通过对波浪形、三角形和梯形金刚石层表面形态的仿真模拟,优选出三角形表面形态为最佳结构;以φ13.44 mm×8 mm的PDC切削齿为例,通过仿真模拟对三角形凹槽数量进行了分析,最终确定3个三角形凹槽为最佳;按照确定的优化设计方案,根据不同材料和工艺设计加工了4种大锯齿仿生PDC切削齿,通过微钻试验台进一步对比分析了仿生PDC切削齿与平面PDC切削齿的钻进效率。结果表明:大锯齿仿生PDC切削齿钻进效率明显优于普通平面片,但是破岩过程中容易出现"崩片"现象,为保证使用寿命,在材料和加工工艺方面应比普通平面片要求更高。

关键词：硬岩钻进;大锯齿仿生;PDC切削齿;破岩机理;