仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头研究

高 科，王金龙，赵 研，张宗正，谢晓波

（吉林大学建设工程学院，吉林长春130026）

0 引言

众所周知，钻头是钻探技术中必不可少的重要组成部分，钻头的效率和寿命直接影响整个钻探的周期、成本和效果，对于深孔钻进，尤其深海钻探，钻头的质量对工期和钻进成本影响尤为显著［1-3］。国内外专家学者开展了大量研究，主要从胎体配方、钻头工作层结构、水口个数及形状等方面来提高钻头切削效率及使用寿命，其中提高钻头使用寿命的最直接有效的方法就是提高钻头胎体高度［4-13］。高胎体钻头能使钻头在钻孔中与井壁接触面积增大，减弱钻头在孔底的振动，减弱脆性材料金刚石受到的振动和冲击损伤，使钻头的整体寿命得到较大提高［14-19］。目前钻头切削效率研究提高幅度较小，尤其是坚硬“打滑”地层，是目前钻探行业一大难题［20-21］，本文以土壤动物蝼蛄的爪趾为仿生原型，从钻头工作唇面结构入手进行设计，旨在提高钻头在坚硬“打滑”地层的钻进效率和使用寿命，为我国深海钻探提供技术支撑。

1 仿生生物原型特征和工作原理

1.1 蝼蛄爪趾结构特征

图1 所示，蝼蛄由5 个爪趾组成，其中有4 个爪趾十分相近，其长短、粗细和大小差异不大，趾尖相连形成一个大圆弧线，特别平缓。

图1 蝼蛄前爪Fig.1 Fore claw of the mole cricket

1.2 掘土特征描述

蝼蛄挖洞是2 个前爪交替进行，在土壤中穿行速度很快。蝼蛄的前爪挖掘土壤动作更为单一，在挖掘土壤时的运动轨迹以其活动自由度很小的前足胫节和跗节为轴形成简单弧形，轨迹在身体的对称轴位置有重叠。图2 为蝼蛄掘土工作原理示意图。

图2 蝼蛄掘土工作原理示意Fig.2 Mole cricket excavation principle

1.3 测量

图3 是蝼蛄前爪各爪趾的角度测量，图4 是蝼蛄前爪各爪趾的长度测量，图5 是蝼蛄前爪相邻4 个爪趾尖相连形成圆弧的直径测量。表1 是测量所得数据。同时，图3 和图4 中为各爪趾做了编号，其中1号为内侧边爪趾，向外依次编号为 2 号、3 号、4 号和5 号。

表1 蝼蛄开掘足各爪趾结构的测量Table 1 Measurement of the claw toe structure

图3 蝼蛄前爪各爪趾的角测量Fig.3 Angle measurement of the claw toes of the mole cricket fore claw

图4 蝼蛄前爪各爪趾的长度测量Fig.4 Length measurement of the claw toes of the mole cricket fore claw

图5 蝼蛄前爪各爪趾尖相连形成圆弧的直径测量Fig.5 Diameter measurement of circular arc formed by connecting the toes of the mole cricket fore claw

2 仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石钻头结构设计

2.1 仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿设计

以外径/内径为Ø76 mm/Ø49 mm 的规格设计仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿的齿单元，钻头的齿厚为13.75 mm，结合钻头工作层胎体材料的强度极限，选择8 个切削齿，结合蝼蛄爪趾的角度范围、爪趾结构形态、钻头齿厚以及加工难度的多因素影响，去掉角度范围较大的1 号爪趾和结构形态与其他爪趾不同的5 号爪趾，选择中间3 个角度范围和结构形态相近的3 个爪趾，仿此爪趾在每个齿上设计3个同轴环齿单元。根据蝼蛄中间3 个爪趾趾角关系及加工难度确定钻头齿单元厚度，具体计算按如下公式：

式中：∂2号、∂3号、∂4号——分别为蝼蛄 2、3、4 号爪趾的趾尖角度。

蝼蛄爪趾与仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头的齿单元具体对应关系如表2 所示。

表2 蝼蛄前爪趾角及仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿齿单元尺寸对照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

根据表 2，确定 Ø76 mm/Ø49 mm 规格的仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿的齿单元厚度由内到外分别设计为4、3、4 mm，为保证钻头整体的对称性以及加工方便，使齿单元间的2 个环形沟槽厚度均为1.375 mm，且环形沟槽均由硬度较软材料填充，具体结构如图6 所示。

图6 Ø76 mm/Ø49 mm 规格的仿蝼蛄爪趾钻头单齿的齿单元设计Fig.6 Design oftheindividualtooth unitofØ76mm/Ø49mm bitimitatingthemolecricketclaw toes

2.2 仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿强化设计

在设计仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿的齿单元时，既要考虑仿生的元素，更要考虑齿的整体强度，以保证钻头在钻进岩石时具有足够的抗扭和抗剪冲击能力。图6 的设计中每个齿单元间相互独立，无依无靠，强度无法得到满足，如果按照切削花岗岩的高径比1.5［22］的比例计算，其高度只能为4 mm×1.5=6 mm，只适应于低工作层胎体钻头的设计，并不适合高工作层胎体。因此，需要对单齿进行强化。利用无压浸渍烧结法能够烧结不同形状的切削齿的独特优势，设计了一系列的径向筋将各个齿单元很好地连接在一起使其成为一个有机的整体，如此会大大加强钻头单齿的强度，具体设计效果如图7、图8 所示。其中加强筋的材料和配方与钻头工作层胎体的配方相同，在装料和烧结过程中同步生成，钻头的配方与烧结工艺与常规无压浸渍法生产钻头的配方和烧结工艺相同。

图7 钻头单齿环齿单元加强设计效果Fig.7 Strengthening design of the individual ring tooth unit of the bit

图8 钻头单齿径向剖面Fig.8 Radial profile of the individual teeth

但是，即使将各齿单元连接成为一个整体后，其高度也有一定的高度限制，按照切削花岗岩的高径比1.5 的比例计算，其高度只能为13.75 mm×1.5=20.625 mm。也就是说，仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿的高度理论极限是21 mm，否则其折损的机率会很高。

2.3 仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头整体强化设计

为了突破钻头单齿高度的理论极限，有效增加钻头工作层胎体的高度，想办法在保证泥浆循环通畅的基础上通过同心环状加强筋将单切削齿连接到一起，使整个钻头的切削齿形成一个整体，理论上切削齿的整体抗弯强度只与钻头过渡层胎体材料与钢体间的结合力有关，而此结合力远远高出所有钻头齿切削岩石所需要的切削力，能够保证钻头的整体强度。同时，为了保证内环齿单元与外环齿单元的磨损速度大致相同，需要进一步采用加强措施。为此，设计了如图9 所示的切削齿一体式高工作层胎体的钻头，在钻头的外环齿中设置间隔的两两相连的加强筋共4 个，距离底唇面的高度为10 mm，加强筋的高度设计为5 mm；在钻头的内环齿中设置间隔的两两相连的加强筋共4 个，加强筋的高度设计为5 mm，钻头有效工作层高度为21 mm，形成的高工作层仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头的效果如图10所示。

图9 钻头单齿齿单元加强设计效果Fig.9 Strengthening design of the single tooth unit

图10 高工作层仿生钻头效果Fig.10 Bionic bit with the high working layer

为确定钻头的各个齿单元的受力情况，确定其整体性能，对钻头整体进行了回转扭矩的受力分析。单齿施加的回转扭矩为375 N·m，分别对常规钻头、没有设置内外环齿间加强和设置有内外环齿间加强的单齿进行分析，如图11 所示。从图中可以看到有加强筋的单齿的应力集中区域数量增加，且将应力分散到了整个切削齿的内外环齿加强部位。从应力数值上看，有加强和常规钻头的单齿最大应力值为501.7 和502.2 MPa，两者相差很小，而无加强筋的最大应力值高达818.7 MPa，很容易发生断齿掉块情况。轴向多层分布的内外加强将切削齿切削岩石产生的摩擦阻力对齿根的力矩有效分担，进一步提升了钻头整体强度；常规钻头的应力集中区域比较单一且应力值较大，主要分布在齿根部及唇面边角处，而仿生钻头存在多处应力集中区域，应力数值相对较小，主要分布在齿根部、内外加强处、径向加强筋处，这种应力集中区域可以有效地减小钻头的损伤。

图11 钻头齿单元受力分析Fig.11 Force analysis of the bit tooth unit

3 仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石钻头制作与加工

3.1 Ø76 mm 钻头模具设计

模具设计包括钻头外模具、底模、心模、水口及钢体。采用3D 减材加工工艺加工模具，故外模具、底模、心模将不会分开设计，将其一体化设计，保证钻头唇面环齿结构尺寸的精确，水口采用车床加工然后切割成对应水口宽度，图12 为外模具和心模、水口、钢体设计图，图13 为模具装配示意图。

图12 模具设计Fig.12 Design of mold

图13 模具装配设计Fig.13 Mold assembly design

3.2 Ø76 mm 钻头加工工艺

模具加工采用3D 减材加工工艺（如图14 所示），再经过装料［将胎体基体与金刚石采用无水乙醇进行湿混，混料时间为12 h，使金刚石在基体中分散均匀，然后将混合充分的骨料装入到已经制作完成的模具中进行压实和振捣，提高骨料的密实度，振捣完成后在骨料上方安装钢体，在钢体与外模具环空间隙填入计算过质量的粘结金属（焊料）以及焊剂］、烧结以及钻头后处理等过程，最终成型。

图14 3D 减材加工工艺Fig.14 3D cutting process

4 实验

根据前述讨论设计并制作了Ø76.5 mm/Ø49 mm 仿蝼蛄爪趾环齿钻头（如图15 所示），钻头工作层高度为11 mm；Ø76.5 mm/Ø49 mm 内外加强高胎体仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头（如图16 所示），钻头工作层高度为21 mm；并且在内蒙古多伦县进行了实验，现场用尖齿热压钻头（如图17 所示），钻头胎体硬度为HRC10～15，现场使用磨损后的钻头如图18 所示，钻头在钻进过程中会自动形成同心径向的环齿结构。试验条件如表3 所示，岩心

表3 现场试验条件Table 3 Field test conditions

图15 Ø76.5 mm/Ø49 mm 仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头使用前后对比Fig.15 Comparison of Ø76.6mm/Ø49mm ring impregnated diamond bit imitating the mole cricket claw toes

图16 Ø76.5mm/Ø49mm 内外加强仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头Fig.16 Internal and external reinforced Ø76.5mm/Ø49mm ring impregnated diamond bit imitating the mole cricket claw toes

图17 现场用热压尖齿钻头Fig.17 Hot pressed pointed bit for field use

图18 现场使用后的尖齿钻头Fig.18 Pointed bit after field use

实验结果如表4 所示，其中Ø76.5 mm/Ø49 mm如图19 所示。仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头3 只代号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，Ø76.5 mm/Ø49 mm 内外加强仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头3 只代号为Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，现场尖齿钻头代号为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ，为更好展示钻进效果，排除不同钻孔地层岩性的干扰，本实验采用对比试验的方式进行实验研究。其中钻头Ⅰ、Ⅱ、Ⅸ在同一个钻孔ZKH39-1 中钻进；钻头Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ在同一个钻孔ZKH10-1 中钻进；钻头Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ在同一个钻孔ZKH22-1 中钻进。

图19 Ø76.5 mm/Ø49 mm 钻头取出的岩心Fig.19 Core taken out by Ø76.5mm/Ø49mm drill bit

表4 仿生钻头与常规钻头实验结果对比Table 4 Comparison of experimental results between the bionic drill bit and the conventional drill bit

普通尖齿钻头与内外加强仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头均采用金刚石粒度为30/35、35/40（各占金刚石总质量50%），金刚石浓度为70%（400%浓度制），胎体硬度为HRC10～15，除烧结方法外其他参数基本相同。Ø76.5 mm/Ø49 mm 内外加强仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头在钻进坚硬“打滑”地层时平均机械钻进效率为3.74 m/h，平均寿命为127 m（胎体高度为21 mm）。普通尖齿热压钻头（胎体高度为14 mm）在钻进坚硬“打滑”地层时平均机械钻进效率为2.27 m/h，平均寿命为38 m。普通尖齿钻头在地层较软情况下胎体完全磨损，金刚石出刃良好，在钻进坚硬打滑地层时出现偏磨和烧钻情况，偏磨钻头内径部位胎体磨损高度5 mm 左右，外径部位胎体磨损高度1 mm 左右；烧钻钻头仅将尖齿部位全部磨损，2 只钻头内外径基本未磨损。除Ⅰ号仿生钻头外，工作层磨损高度基本在19 mm左右，金刚石层已经完全磨损。Ⅰ号仿生钻头胎体磨损高度为7～8 mm，而且从Ⅰ号仿生钻头可以明显看出同心径向的环齿结构出刃效果良好。通过表4 可以得出在地层较软的情况下，仿蝼蛄环齿钻头的钻进效率较普通钻头提高34%，在坚硬“打滑”地层情况下仿蝼蛄环齿钻头的钻进效率较普通钻头提高65%，寿命提高2 倍左右。

5 结论

（1）仿蝼蛄环齿钻头在钻进坚硬地层时未出现打滑现象，在钻头的工作中同心径向的环齿结构可以自动形成，并且可以始终保持这一结构，运行稳定性得到提高，可有效解决常规钻头坚硬地层打滑问题；

（2）内外环齿间加强筋结构提高钻头的整体性，将钻头的切削齿单元从“单兵作战”变成“群体作战”，避免了高胎体钻头因胎体过高而导致的弯折掉块情况；

（3）采用“内外加强型”结构设计提高工作层高度，可大大提高硬度7～8 级坚硬花岗岩地层中的钻头寿命。