高 科，王金龍，趙 研，張宗正，謝曉波

（吉林大學建設工程學院，吉林長春130026）

0 引言

眾所周知，鉆頭是鉆探技術(shù)中必不可少的重要組成部分，鉆頭的效率和壽命直接影響整個鉆探的周期、成本和效果，對于深孔鉆進，尤其深海鉆探，鉆頭的質(zhì)量對工期和鉆進成本影響尤為顯著［1-3］。國內(nèi)外專家學者開展了大量研究，主要從胎體配方、鉆頭工作層結(jié)構(gòu)、水口個數(shù)及形狀等方面來提高鉆頭切削效率及使用壽命，其中提高鉆頭使用壽命的最直接有效的方法就是提高鉆頭胎體高度［4-13］。高胎體鉆頭能使鉆頭在鉆孔中與井壁接觸面積增大，減弱鉆頭在孔底的振動，減弱脆性材料金剛石受到的振動和沖擊損傷，使鉆頭的整體壽命得到較大提高［14-19］。目前鉆頭切削效率研究提高幅度較小，尤其是堅硬“打滑”地層，是目前鉆探行業(yè)一大難題［20-21］，本文以土壤動物螻蛄的爪趾為仿生原型，從鉆頭工作唇面結(jié)構(gòu)入手進行設計，旨在提高鉆頭在堅硬“打滑”地層的鉆進效率和使用壽命，為我國深海鉆探提供技術(shù)支撐。

1 仿生生物原型特征和工作原理

1.1 螻蛄爪趾結(jié)構(gòu)特征

圖1 所示，螻蛄由5 個爪趾組成，其中有4 個爪趾十分相近，其長短、粗細和大小差異不大，趾尖相連形成一個大圓弧線，特別平緩。

圖1 螻蛄前爪Fig.1 Fore claw of the mole cricket

1.2 掘土特征描述

螻蛄挖洞是2 個前爪交替進行，在土壤中穿行速度很快。螻蛄的前爪挖掘土壤動作更為單一，在挖掘土壤時的運動軌跡以其活動自由度很小的前足脛節(jié)和跗節(jié)為軸形成簡單弧形，軌跡在身體的對稱軸位置有重疊。圖2 為螻蛄掘土工作原理示意圖。

圖2 螻蛄掘土工作原理示意Fig.2 Mole cricket excavation principle

1.3 測量

圖3 是螻蛄前爪各爪趾的角度測量，圖4 是螻蛄前爪各爪趾的長度測量，圖5 是螻蛄前爪相鄰4 個爪趾尖相連形成圓弧的直徑測量。表1 是測量所得數(shù)據(jù)。同時，圖3 和圖4 中為各爪趾做了編號，其中1號為內(nèi)側(cè)邊爪趾，向外依次編號為 2 號、3 號、4 號和5 號。

表1 螻蛄開掘足各爪趾結(jié)構(gòu)的測量Table 1 Measurement of the claw toe structure

圖3 螻蛄前爪各爪趾的角測量Fig.3 Angle measurement of the claw toes of the mole cricket fore claw

圖4 螻蛄前爪各爪趾的長度測量Fig.4 Length measurement of the claw toes of the mole cricket fore claw

圖5 螻蛄前爪各爪趾尖相連形成圓弧的直徑測量Fig.5 Diameter measurement of circular arc formed by connecting the toes of the mole cricket fore claw

2 仿生自補償一體式高胎體孕鑲金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)設計

2.1 仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭單齒設計

以外徑/內(nèi)徑為?76 mm/?49 mm 的規(guī)格設計仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭單齒的齒單元，鉆頭的齒厚為13.75 mm，結(jié)合鉆頭工作層胎體材料的強度極限，選擇8 個切削齒，結(jié)合螻蛄爪趾的角度范圍、爪趾結(jié)構(gòu)形態(tài)、鉆頭齒厚以及加工難度的多因素影響，去掉角度范圍較大的1 號爪趾和結(jié)構(gòu)形態(tài)與其他爪趾不同的5 號爪趾，選擇中間3 個角度范圍和結(jié)構(gòu)形態(tài)相近的3 個爪趾，仿此爪趾在每個齒上設計3個同軸環(huán)齒單元。根據(jù)螻蛄中間3 個爪趾趾角關(guān)系及加工難度確定鉆頭齒單元厚度，具體計算按如下公式：

式中：?2號、?3號、?4號——分別為螻蛄 2、3、4 號爪趾的趾尖角度。

螻蛄爪趾與仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭的齒單元具體對應關(guān)系如表2 所示。

表2 螻蛄前爪趾角及仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭單齒齒單元尺寸對照Table 2 Angle of the mole cricket fore claw toes and the individual tooth unit size of the impregnated diamond bit imitating the mole cricket claw toes

根據(jù)表 2，確定 ?76 mm/?49 mm 規(guī)格的仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭單齒的齒單元厚度由內(nèi)到外分別設計為4、3、4 mm，為保證鉆頭整體的對稱性以及加工方便，使齒單元間的2 個環(huán)形溝槽厚度均為1.375 mm，且環(huán)形溝槽均由硬度較軟材料填充，具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 ?76 mm/?49 mm 規(guī)格的仿螻蛄爪趾鉆頭單齒的齒單元設計Fig.6 Design oftheindividualtooth unitof?76mm/?49mm bitimitatingthemolecricketclaw toes

2.2 仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭單齒強化設計

在設計仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭單齒的齒單元時，既要考慮仿生的元素，更要考慮齒的整體強度，以保證鉆頭在鉆進巖石時具有足夠的抗扭和抗剪沖擊能力。圖6 的設計中每個齒單元間相互獨立，無依無靠，強度無法得到滿足，如果按照切削花崗巖的高徑比1.5［22］的比例計算，其高度只能為4 mm×1.5=6 mm，只適應于低工作層胎體鉆頭的設計，并不適合高工作層胎體。因此，需要對單齒進行強化。利用無壓浸漬燒結(jié)法能夠燒結(jié)不同形狀的切削齒的獨特優(yōu)勢，設計了一系列的徑向筋將各個齒單元很好地連接在一起使其成為一個有機的整體，如此會大大加強鉆頭單齒的強度，具體設計效果如圖7、圖8 所示。其中加強筋的材料和配方與鉆頭工作層胎體的配方相同，在裝料和燒結(jié)過程中同步生成，鉆頭的配方與燒結(jié)工藝與常規(guī)無壓浸漬法生產(chǎn)鉆頭的配方和燒結(jié)工藝相同。

圖7 鉆頭單齒環(huán)齒單元加強設計效果Fig.7 Strengthening design of the individual ring tooth unit of the bit

圖8 鉆頭單齒徑向剖面Fig.8 Radial profile of the individual teeth

但是，即使將各齒單元連接成為一個整體后，其高度也有一定的高度限制，按照切削花崗巖的高徑比1.5 的比例計算，其高度只能為13.75 mm×1.5=20.625 mm。也就是說，仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭單齒的高度理論極限是21 mm，否則其折損的機率會很高。

2.3 仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭整體強化設計

為了突破鉆頭單齒高度的理論極限，有效增加鉆頭工作層胎體的高度，想辦法在保證泥漿循環(huán)通暢的基礎上通過同心環(huán)狀加強筋將單切削齒連接到一起，使整個鉆頭的切削齒形成一個整體，理論上切削齒的整體抗彎強度只與鉆頭過渡層胎體材料與鋼體間的結(jié)合力有關(guān)，而此結(jié)合力遠遠高出所有鉆頭齒切削巖石所需要的切削力，能夠保證鉆頭的整體強度。同時，為了保證內(nèi)環(huán)齒單元與外環(huán)齒單元的磨損速度大致相同，需要進一步采用加強措施。為此，設計了如圖9 所示的切削齒一體式高工作層胎體的鉆頭，在鉆頭的外環(huán)齒中設置間隔的兩兩相連的加強筋共4 個，距離底唇面的高度為10 mm，加強筋的高度設計為5 mm；在鉆頭的內(nèi)環(huán)齒中設置間隔的兩兩相連的加強筋共4 個，加強筋的高度設計為5 mm，鉆頭有效工作層高度為21 mm，形成的高工作層仿螻蛄爪趾孕鑲金剛石鉆頭的效果如圖10所示。

圖9 鉆頭單齒齒單元加強設計效果Fig.9 Strengthening design of the single tooth unit

圖10 高工作層仿生鉆頭效果Fig.10 Bionic bit with the high working layer

為確定鉆頭的各個齒單元的受力情況，確定其整體性能，對鉆頭整體進行了回轉(zhuǎn)扭矩的受力分析。單齒施加的回轉(zhuǎn)扭矩為375 N·m，分別對常規(guī)鉆頭、沒有設置內(nèi)外環(huán)齒間加強和設置有內(nèi)外環(huán)齒間加強的單齒進行分析，如圖11 所示。從圖中可以看到有加強筋的單齒的應力集中區(qū)域數(shù)量增加，且將應力分散到了整個切削齒的內(nèi)外環(huán)齒加強部位。從應力數(shù)值上看，有加強和常規(guī)鉆頭的單齒最大應力值為501.7 和502.2 MPa，兩者相差很小，而無加強筋的最大應力值高達818.7 MPa，很容易發(fā)生斷齒掉塊情況。軸向多層分布的內(nèi)外加強將切削齒切削巖石產(chǎn)生的摩擦阻力對齒根的力矩有效分擔，進一步提升了鉆頭整體強度；常規(guī)鉆頭的應力集中區(qū)域比較單一且應力值較大，主要分布在齒根部及唇面邊角處，而仿生鉆頭存在多處應力集中區(qū)域，應力數(shù)值相對較小，主要分布在齒根部、內(nèi)外加強處、徑向加強筋處，這種應力集中區(qū)域可以有效地減小鉆頭的損傷。

圖11 鉆頭齒單元受力分析Fig.11 Force analysis of the bit tooth unit

3 仿生自補償一體式高胎體孕鑲金剛石鉆頭制作與加工

3.1 ?76 mm 鉆頭模具設計

模具設計包括鉆頭外模具、底模、心模、水口及鋼體。采用3D 減材加工工藝加工模具，故外模具、底模、心模將不會分開設計，將其一體化設計，保證鉆頭唇面環(huán)齒結(jié)構(gòu)尺寸的精確，水口采用車床加工然后切割成對應水口寬度，圖12 為外模具和心模、水口、鋼體設計圖，圖13 為模具裝配示意圖。

圖12 模具設計Fig.12 Design of mold

圖13 模具裝配設計Fig.13 Mold assembly design

3.2 ?76 mm 鉆頭加工工藝

模具加工采用3D 減材加工工藝（如圖14 所示），再經(jīng)過裝料［將胎體基體與金剛石采用無水乙醇進行濕混，混料時間為12 h，使金剛石在基體中分散均勻，然后將混合充分的骨料裝入到已經(jīng)制作完成的模具中進行壓實和振搗，提高骨料的密實度，振搗完成后在骨料上方安裝鋼體，在鋼體與外模具環(huán)空間隙填入計算過質(zhì)量的粘結(jié)金屬（焊料）以及焊劑］、燒結(jié)以及鉆頭后處理等過程，最終成型。

圖14 3D 減材加工工藝Fig.14 3D cutting process

4 實驗

根據(jù)前述討論設計并制作了?76.5 mm/?49 mm 仿螻蛄爪趾環(huán)齒鉆頭（如圖15 所示），鉆頭工作層高度為11 mm；?76.5 mm/?49 mm 內(nèi)外加強高胎體仿螻蛄爪趾環(huán)齒孕鑲金剛石鉆頭（如圖16 所示），鉆頭工作層高度為21 mm；并且在內(nèi)蒙古多倫縣進行了實驗，現(xiàn)場用尖齒熱壓鉆頭（如圖17 所示），鉆頭胎體硬度為HRC10～15，現(xiàn)場使用磨損后的鉆頭如圖18 所示，鉆頭在鉆進過程中會自動形成同心徑向的環(huán)齒結(jié)構(gòu)。試驗條件如表3 所示，巖心

表3 現(xiàn)場試驗條件Table 3 Field test conditions

圖15 ?76.5 mm/?49 mm 仿螻蛄爪趾環(huán)齒孕鑲金剛石鉆頭使用前后對比Fig.15 Comparison of ?76.6mm/?49mm ring impregnated diamond bit imitating the mole cricket claw toes

圖16 ?76.5mm/?49mm 內(nèi)外加強仿螻蛄爪趾環(huán)齒孕鑲金剛石鉆頭Fig.16 Internal and external reinforced ?76.5mm/?49mm ring impregnated diamond bit imitating the mole cricket claw toes

圖17 現(xiàn)場用熱壓尖齒鉆頭Fig.17 Hot pressed pointed bit for field use

圖18 現(xiàn)場使用后的尖齒鉆頭Fig.18 Pointed bit after field use

實驗結(jié)果如表4 所示，其中?76.5 mm/?49 mm如圖19 所示。仿螻蛄爪趾環(huán)齒孕鑲金剛石鉆頭3 只代號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，?76.5 mm/?49 mm 內(nèi)外加強仿螻蛄爪趾環(huán)齒孕鑲金剛石鉆頭3 只代號為Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，現(xiàn)場尖齒鉆頭代號為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ，為更好展示鉆進效果，排除不同鉆孔地層巖性的干擾，本實驗采用對比試驗的方式進行實驗研究。其中鉆頭Ⅰ、Ⅱ、Ⅸ在同一個鉆孔ZKH39-1 中鉆進；鉆頭Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ在同一個鉆孔ZKH10-1 中鉆進；鉆頭Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ在同一個鉆孔ZKH22-1 中鉆進。

圖19 ?76.5 mm/?49 mm 鉆頭取出的巖心Fig.19 Core taken out by ?76.5mm/?49mm drill bit

表4 仿生鉆頭與常規(guī)鉆頭實驗結(jié)果對比Table 4 Comparison of experimental results between the bionic drill bit and the conventional drill bit

普通尖齒鉆頭與內(nèi)外加強仿螻蛄爪趾環(huán)齒孕鑲金剛石鉆頭均采用金剛石粒度為30/35、35/40（各占金剛石總質(zhì)量50%），金剛石濃度為70%（400%濃度制），胎體硬度為HRC10～15，除燒結(jié)方法外其他參數(shù)基本相同。?76.5 mm/?49 mm 內(nèi)外加強仿螻蛄爪趾環(huán)齒孕鑲金剛石鉆頭在鉆進堅硬“打滑”地層時平均機械鉆進效率為3.74 m/h，平均壽命為127 m（胎體高度為21 mm）。普通尖齒熱壓鉆頭（胎體高度為14 mm）在鉆進堅硬“打滑”地層時平均機械鉆進效率為2.27 m/h，平均壽命為38 m。普通尖齒鉆頭在地層較軟情況下胎體完全磨損，金剛石出刃良好，在鉆進堅硬打滑地層時出現(xiàn)偏磨和燒鉆情況，偏磨鉆頭內(nèi)徑部位胎體磨損高度5 mm 左右，外徑部位胎體磨損高度1 mm 左右；燒鉆鉆頭僅將尖齒部位全部磨損，2 只鉆頭內(nèi)外徑基本未磨損。除Ⅰ號仿生鉆頭外，工作層磨損高度基本在19 mm左右，金剛石層已經(jīng)完全磨損。Ⅰ號仿生鉆頭胎體磨損高度為7～8 mm，而且從Ⅰ號仿生鉆頭可以明顯看出同心徑向的環(huán)齒結(jié)構(gòu)出刃效果良好。通過表4 可以得出在地層較軟的情況下，仿螻蛄環(huán)齒鉆頭的鉆進效率較普通鉆頭提高34%，在堅硬“打滑”地層情況下仿螻蛄環(huán)齒鉆頭的鉆進效率較普通鉆頭提高65%，壽命提高2 倍左右。

5 結(jié)論

（1）仿螻蛄環(huán)齒鉆頭在鉆進堅硬地層時未出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，在鉆頭的工作中同心徑向的環(huán)齒結(jié)構(gòu)可以自動形成，并且可以始終保持這一結(jié)構(gòu)，運行穩(wěn)定性得到提高，可有效解決常規(guī)鉆頭堅硬地層打滑問題；

（2）內(nèi)外環(huán)齒間加強筋結(jié)構(gòu)提高鉆頭的整體性，將鉆頭的切削齒單元從“單兵作戰(zhàn)”變成“群體作戰(zhàn)”，避免了高胎體鉆頭因胎體過高而導致的彎折掉塊情況；

（3）采用“內(nèi)外加強型”結(jié)構(gòu)設計提高工作層高度，可大大提高硬度7～8 級堅硬花崗巖地層中的鉆頭壽命。