表鑲CBN鉆頭研制及其巖石鉆進(jìn)負(fù)載特性實驗研究.pdf

1、探月三期工程的核心任務(wù)目標(biāo)是獲取長度約兩米的月壤樣品并返回地球。在月壤剖面中可能會夾雜著不同類型、不同尺度、不同硬度等級的月巖，當(dāng)取芯鉆頭遇到巖石時，鉆進(jìn)負(fù)載會急劇增加，鉆頭的切削熱也會急劇累積，若鉆頭的設(shè)計不當(dāng)或鉆進(jìn)規(guī)程控制失調(diào)，可能會導(dǎo)致鉆取采樣裝置鉆進(jìn)功能、取芯功能失效。在探月工程三期預(yù)先研究階段優(yōu)化形成的螺旋形鉆頭構(gòu)型，對小尺度月壤具有較強的鉆進(jìn)和取芯能力，但巖石的鉆進(jìn)能力較弱。針對這一工程背景，本文提出了在螺旋形基體表面鑲嵌

2、CBN顆粒，在不損失其取芯能力的前提下，充分提高其對巖石的鉆進(jìn)能力。
　　針對CBN顆粒對巖石的破碎作用機理，系統(tǒng)開展了CBN顆粒巖石切削力學(xué)模型的理論與仿真研究。調(diào)研分析了月巖的基本類型和主要物理特性，對地球巖石的主要物理力學(xué)特性以及巖石的可鉆性等級進(jìn)行了研究。建立了集中載荷、球形壓頭作用于巖石的受載應(yīng)力狀態(tài)分析計算模型；依據(jù)巖石的破壞強度準(zhǔn)則，建立了CBN顆粒巖石破碎力學(xué)模型和仿真模型，為CBN顆粒在鉆具上的合理鑲嵌提供了初始

3、依據(jù)。
　　研制了表鑲CBN鉆頭試驗件，并對CBN顆粒在鉆頭表面的鑲嵌形態(tài)、顆粒態(tài)鉆頭表面與巖石的有效接觸面積以及當(dāng)量螺旋面積下的鉆壓力分布進(jìn)行了分析與計算。開展了鉆頭鉆進(jìn)巖石的過程、鉆頭碎巖能力、排屑運動和鉆頭的主要磨損因素的研究，為科學(xué)評估表鑲CBN鉆頭的關(guān)鍵特性提供了評價指標(biāo)。
　　為了充分驗證所研制的表鑲CBN鉆頭的綜合特性，研制了巖石鉆進(jìn)試驗臺，開展了正交實驗，獲得了回轉(zhuǎn)速率、加載速率以及基體螺旋頭數(shù)、CBN顆粒直