高速钻削碳纤维复合材料的钻头温度测量研究

以钻削碳纤维复合材料为基础,研究碳纤维复合材料在高速钻削过程中切削速度和进给速度对钻头后刀面温度的影响.采用嵌入式人工热电偶的方法对硬质合金钻削刀具进行测温试验,并用LabVIEW软件获得所需的温度数据和温度曲线.测量结果表明:当进给速度恒定时,刀具的后刀面温度随主轴转速的增加而上升.当主轴转速恒定时,刀具的后刀面温度随进给速度的增加而降低.     

角接触球轴承热特性分析及试验

为了预测并控制轴承运转过程中热态特性对进给系统精度的影响,基于球轴承拟静力学和摩擦生热理论,计算了包括自旋摩擦力矩在内的摩擦生热,分析了热传递方式,并建立了热传递模型和一种考虑接触热阻的球轴承组件有限元热结构模型。采用有限元法仿真轴承组件稳态温度场,搭建试验台测试了不同转速和载荷下轴承的稳态温度分布及轴向热位移。结果表明:转速和轴向载荷对轴承温升及轴向热位移影响较大,其中温升在10℃以内时,轴向热位移与温度线性关系明显;在温度场中,滚珠温度最高,内圈温度次之,外圈温度最低;仿真结果与测试结果相对误差在7%以内,可有效预测轴承在不同工况下的稳态温度场及轴向热位移。     

TC4钛合金小孔钻削试验及钻孔质量研究

为了研究TC4钛合金的小孔钻削性能,采用单因素试验设计,利用DEFORM-3D软件建立钻削仿真模型,并结合钻削试验对比,分析了小直径麻花钻的主轴转速与进给速度在单一变量下对钛合金钻削轴向力的影响趋势。结果表明:钻削轴向力随主轴转速的增大而减小,随进给速度的增大呈波动上升趋势。基于钻削试验数据,利用MATLAB软件进行了多元回归分析,建立了钻削轴向力与进给速度、主轴转速之间的关系式,并进行了对比验证。通过立式显微镜对不同钻削参数下钻孔表面形貌和钻屑形态进行了观测与分析。     

超深水平井钻柱动力学研究及强度校核

超深井钻井过程中钻具失效事故频繁发生,钻柱动力学特性研究对增加钻具安全性具有重要作用。考虑真实井眼轨迹、钻头与地层相互作用、钻柱与井壁接触及钻井液黏滞作用等因素的影响,建立了全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同钻压及转速下钻柱不同截面轴向力、扭矩、位移及等效应力等随时间的变化,采用第四强度理论计算了井口钻具的安全系数,校核了超深水平井钻具强度。分析结果表明,井口轴向力和等效应力表现为低频变化,MWD处等效应力和加速度表现为高频振动且其横向振动比轴向振动更加剧烈;在钻压和转速较小的情况下,钻压和转速对井口轴向载荷、井口扭矩、井口等效应力及井口安全系数影响不大;MWD处等效应力随钻压的增加而增大,其横向加速度随转速的增加幅值显著增大;对于井深超过8 000 m、井眼尺寸φ120.65 mm及φ114.3 mm的G105钻杆,动力学分析得到的井口安全系数大部分时间内在1.2附近波动,钻具总体是安全的。     

基于机械比能与滑动摩擦系数的PDC钻头破岩效率试验

为探究机械比能理论指导下PDC钻头破岩效率的影响因素,通过简化钻头与地层相互作用模型并推导滑动摩擦系数,结合室内试验分析各因素对钻头滑动摩擦系数的影响。结果表明:钻压通过切削齿的吃入深度影响摩擦系数,当切削齿完全吃入地层所产生的摩擦系数最大;钻速过快导致的岩屑过多且无法有效移除时摩擦系数会减小;转速增加会使摩擦系数减小;不同类型的岩样其最终稳定的摩擦系数不同,但一般在0.4～0.6;钻头直径不会影响摩擦系数最终稳定值;钻进软至中硬地层时,应选取尽量大的钻压和转速,即使较大钻压和转速对于提升破岩效率并无裨益,但却会明显提升机械钻速,此时机械比能增加并不明显,说明钻头能量利用率保持在一个稳定的阶段;钻进较硬地层时,提升钻压、转速水平会明显提高机械钻速,增大机械比能,降低破岩效率,钻头机械能量利用率下降,此时钻进参数的选取就需要综合钻速、机械比能、破岩效率等因素判定。     

基于灰色关联分析的颅骨微创小孔多目标钻削参数

基于脑深部刺激套管电极的穿刺要求，本研究采用直径3 mm高速钢麻花钻头作为微创骨孔钻削工具，以成年猪颅骨为钻削对象，建立辅助函数，以灰色关联度和切屑容积系数为颅骨钻孔质量的评价指标，优化颅骨微创小孔的钻削参数。结果表明：对于直径3 mm的高速钢麻花钻头，当进给速度为30 mm/min、主轴转速为600 r/min时，具有最高的灰色关联度值0.906 925 54,灰色关联度响应图表明主轴转速相对于进给速度对钻削力和钻削温度的影响更为显著；该钻削参数组合下，切屑为螺旋短屑，其切屑容积系数为35.71,处于合适范围。     

海底天然气水合物复杂地层钻进取芯仿真岩芯扰动分析

针对海底天然气水合物赋存的复杂地层,利用有限元分析软件ABAQUS/CAE,对搭载于深海海底钻机上的金刚石钻头钻进取芯海底天然气水合物过程进行了模拟仿真,并利用Python对仿真结果进一步处理.通过对钻进过程中岩芯所受应力状态的分析,得到岩芯扰动状态随钻进参数的变化规律,获得天然气水合物储层及其上覆土层沉积物低扰动岩芯范围,以及岩芯扰动率随钻进参数的变化趋势,对获取低扰动岩芯钻进参数及其优化具有一定的参考意义.结果表明:随着钻压和转速的增加,沉积物及水合物岩芯的扰动范围都相应的增大.岩芯的扰动率呈现出先迅速增大,之后再逐渐保持稳定的趋势.扰动率稳定值的大小受钻压的影响较大,与钻头的转速无关.当在沉积层钻进时,选择较大的钻压及转速以保证高的进尺效率,而当在水合物层钻进时,适当降低钻压可以获得质量较好的岩芯,而增大转速会使进尺速度得到有效的提升     

基于Oxley's理论的300M钢正交切削加工变量的预测

为获得300M钢正交切削加工过程变量,通过以Oxley's解析加工预测理论为基础,利用Labview软件编写正交切削仿真算法,并开发正交切削仿真模块,依据300M钢的仿真结果分析不同切削参数对剪切角、切削力、切削温度、应力和切削厚度等加工变量的影响规律,并验证了正交切削仿真模块的准确性.结果表明:随切削参数的变化,剪切面长度与主剪切区厚度的比值在6～7变化,剪切角在20°～30°变化;主切削力、进给力和切屑厚度均随主轴转速的增加而下降,随进给量的增加而上升;主轴转速及进给量的变化对剪切区的温度和流动应力影响较小,但刀-屑接触区的温度随主轴转速、进给量的增加而上升,刀-屑接触区的流动应力随主轴转速、进给量的增加而下降,且正交切削仿真模块的仿真结果与试验结果更吻合.     

40Cr钢的钻削力仿真与实验研究

通过单因素试验,研究了在40Cr钢的钻削加工过程中,不同切削参数对钻削力和扭矩的影响.通过大型金属塑性成形有限元软件Deform-3D对钻削过程进行仿真研究,并将仿真结果和实验结果作了对比.结果表明,在进给量不变的情况下,随着切削速度的增加,钻头所受轴向力和扭矩先变大后减小;在相同的切削速度条件下,随着进给量的不断增大,轴向力和扭矩几乎线性增大;钻削力和扭矩的仿真结果比实验结果略小,说明仿真结果具备比较高的可靠性,可以对实验结果起到近似的预测作用.     

加工工艺参数对碳纤维增强复合材料层合板制孔质量的影响

为了研究不同的钻孔参数对制孔质量的影响,本文采取五种不同顶角的刀具(90°、118°、140°、160°、180°)以及不同进给速度对碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics)层合板进行钻削实验,将钻孔参数与制孔质量的关系进行拟合,建立了基于分层因子的评价方法,并由此开发一种CFRP钻孔工艺参数知识库系统。通过对不同顶角钻头的轴向力-时间曲线、进给率/顶角-轴向力拟合关系图进行分析,并对比不同顶角钻头的扫面电子显微镜(SEM)图象,发现：钻头顶角越大,进给率越大则钻削轴向力越大,出口分层缺陷越严重;钻削参数为小顶角、低进给时,出口质量更优异。     

天然气水合物地层PCS取样扰动有限元仿真分析

针对天然气水合物地层钻进过程中,钻头扰动可能对井底和井周地层波速变化产生很大影响,从而导致难以通过钻探取心分析及测井获得天然气水合物地层准确信息的问题,借助有限元软件ANSYS/LS-DYNA,构建保压取心器(PCS)钻头钻进水合物地层的有限元模型,模拟PCS钻头钻进天然气水合物地层的动态过程,得到不同时刻的扰动形态,同时得到了钻压、转速分别与水合物地层扰动影响关系。研究结果表明:(1)当转速一定,钻压增大时,超前钻头附近井底地层及钻头附近井周地层扰动程度呈增大趋势;当钻压一定,转速增大时,超前钻头附近井底地层最大扰动程度基本不受转速改变的影响,而钻头附近井周地层最大扰动程度整体呈线性增大趋势。(2)钻压和转速一定时,钻进方向上井底地层距离超前钻头越近,其水合物地层扰动程度越强,反之则越弱,距离超前钻头0.09 m以内的井底地层扰动程度较大,在此范围之外的井底地层则扰动程度较小;同时径向上距离钻头体越近,其水合物地层扰动程度越强,反之则越弱;距离钻头体0.055 m以内的井周地层扰动程度较大,在此范围之外的井周地层则扰动程度较小。研究计算结果可为天然气水合物地层PCS取心分析及水合物测井提供参考。     

钻杆纵-扭耦合振动两自由度模型的动力学分析

基于钻杆纵向和扭转振动耦合的两自由度模型,结合钻头所受纵向力和扭矩模型的简化,利用平均法讨论了主要工作参数以及外界介质参数对其周期振动振幅和频率的影响,并进行了数值仿真验证。此外还利用数值计算仿真了工作参数和介质参数对粘滑运动的影响。结果表明,转盘转速的增加会使扭转振幅增大,但是适量增大转盘转速可以有效降低钻杆粘滞时间,减弱粘滑振动现象。钻头与岩石间的摩擦系数的增大会使相对角位移增大,粘滑现象更加明显,粘滞时间变长。     

冰层回转钻进冰屑温度计算及影响因素分析

为了分析冰层回转切削钻进时冰屑温度的变化规律,借鉴金属切削理论,建立了切削温度计算模型,对钻压、转速、切削具刃前角、切削具切入冰层深度、冰与切削具之间的摩擦系数、冰的抗剪强度以及切削具导热系数等因素对切削温度的影响规律进行了研究.结果表明,上述参数对切削温度均有一定的影响,其中摩擦系数对冰屑的温升影响最大,当摩擦系数增大到0.3时,冰屑的温升可高达9.11℃.钻头转速以及切削具刃前角对冰屑温升也有较大的影响,当钻头转速由30 r/min增大到130 r/min时,冰屑的温升由2.35℃增大到4.35℃;切削具刃前角由15°增大到75°时,冰屑的温升由3.48℃降低到2.42℃.     

水平井段旋转钻进时钻头侧向力及钻进趋势试验研究

进行水平井段旋转钻进时钻头侧向力的试验研究,并将钻头侧向力分解为方位力和井斜力,以这两个力的变化规律为基础,对待钻井的钻进趋势进行预测。结果表明:随着钻压和转速的增加,方位力和井斜力的变化规律不同,增加钻压,两个力波动的频率变小,波动的能量变大,但方位力的波动频率大于井斜力的波动频率,方位力的波动能量小于井斜力的波动能量;增加转速,方位力的波动频率变大,波动能量几乎不变,井斜力的波动频率变化不大,但波动能量变大;在实际的钻进过程中,为避免"方位漂移"现象的加剧,建议使用较低钻压或者高钻压钻进;为避免井斜加剧,建议使用低钻压和低转速钻进。     

四川盆地双鱼石区块深井钻井井斜规律研究

针对双鱼石区块井斜控制问题,考虑钻头与地层互作用、地层倾角、井斜角、地层各向异性指数、地层自然造斜力、钻头侧向力,综合建立了钻头侧向力模型,根据不同影响因素探讨了井斜变化规律,通过实钻资料验证了模型的正确性。结果表明,与常规钻井方式相比,空气钻井条件下地层自然造斜力增加,且增加幅度较大。随着地层倾角增加,地层自然造斜力增加。随着井斜角的增大,钻头综合侧向力减小,在空气钻井中和常规泥浆钻井中,钻头综合侧向力均存在零值平衡点。随着地层各向异性指数的增加,地层自然造斜能力增大导致井斜角增大。结合理论研究,通过钻具组合优化、钻井参数优选提出井斜控制措施,将该区块深层易斜地层井斜角降低至0.50°～1.15°,机械钻速提高了40%～85%。研究结果可为超深层井斜规律的研究和高效控制提供重要的参考和指导。     

枪钻几何结构参数对钻削力的影响规律

枪钻钻头自身独特的复杂结构使深孔钻削的过程变得较为复杂。钻头几何结构参数设计得不合理会引起钻削力较大,导致温度升高、刀具磨损严重和降低孔加工质量等一系列问题。通过对钻头静力学分析,借助群钻钻削力的计算方法,将刀具内、外刃分解为微切削单元进行分析进而建立枪钻钻头的力学模型。通过数值仿真研究枪钻钻头几何结构参数的改变对钻削力变化的影响规律,从而进一步优化相关参数并通过实验验证。试验结果表明钻削力的变化与仿真分析的规律相吻合,进而为枪钻几何结构的优化设计提供了依据。     

锥形齿PDC钻头台架试验研究

设计并加工锥形齿PDC钻头、锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头、常规PDC齿钻头,在不同性质的岩样上进行台架试验研究,分析锥形齿PDC钻头钻进硬地层的破岩效果以及钻压、转速等钻进参数对其钻进性能的影响规律,并与常规PDC钻头的破岩效果进行对比。结果表明:锥形齿PDC钻头具有钻进硬岩能力,机械钻速随钻压和转速的增加而增大;锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头在硬岩中可获得较高的破岩效率,机械钻速可提高90.6%。     

多锥构型摩擦副同步过程的影响因素分析

基于润滑力学和微凸体摩擦原理，建立了多锥构型摩擦副同步过程的数学模型并进行数值求解，分析了多锥构型摩擦副同步过程中主从动片初始相对转速、油膜厚度、油膜承载力、微凸峰承载力、黏性剪切转矩、粗糙摩擦转矩等随同步时间的变化规律。利用所建模型研究了锥角、摩擦锥面数量、表面粗糙度、初始相对转速和加载压力等因素对同步过程的影响规律。结果表明：多锥构型摩擦副具有明显的楔形自增力效应，较小的轴向加载力可提供很大的锥面接触力；减小锥角、增加摩擦锥面数量、增大表面粗糙度和轴向加载压力均可提高同步转矩，缩短同步时间；同步时间与初始相对转速大致呈线性关系。     

离合器压盘温度场与应力场分析及改进研究

针对离合器接合过程中,压盘滑摩温度过高发生的烧蚀、热变形现象,利用abaqus仿真软件建立了三维有限元分析模型,结合压盘的实际工作状况采用直接耦合法进行热结构耦合仿真。得到了压盘的温度场与应力场,并研究了滑摩转速、压力和压盘厚度对压盘温度场及应力场的影响,同时针对翘曲变形,通过在滑摩面增加内锥度对压盘结构进行了优化。结果表明：高转速差会增大压盘滑摩温度与应力,压盘摩擦接触区域向内径移动,翘曲变形更加严重;压力的增大同样会增大滑摩温度与应力,但对摩擦接触的影响较小;压盘厚度增大能增加压盘的热容量,同时也会使温度与应力更加集中;增加压盘内锥度能显著改善压盘滑摩面的温度与应力分布,最高值分别下降了11.8%、5.4%,摩擦副有效接触面积增加,提高了离合器的工作性能与稳定性。     

离合器压盘温度场与应力场分析及改进

针对离合器接合过程中,压盘滑摩温度过高发生的烧蚀、热变形现象,利用ABAQUS仿真软件建立了三维有限元分析模型。结合压盘的实际工作状况采用直接耦合法进行热结构耦合仿真,得到了压盘的温度场与应力场,并研究了滑摩转速、压力和压盘厚度对压盘温度场及应力场的影响,同时针对翘曲变形,通过在滑摩面增加内锥度对压盘结构进行了优化。结果表明:高转速差会增大压盘滑摩温度与应力,压盘摩擦接触区域向内径移动,翘曲变形更加严重;压力的增大同样会增大滑摩温度与应力,但对摩擦接触的影响较小;压盘厚度增大能增加压盘的热容量,同时也会使温度与应力更加集中;增加压盘内锥度能显著改善压盘滑摩面的温度与应力分布,最高值分别下降了11.8%、5.4%,摩擦副有效接触面积增加,提高了离合器的工作性能与稳定性。