0 引 言

近年来，随着钻探工艺及技术的不断发展，煤矿开采复杂程度越来越大，所钻进的地层也由软-中硬逐渐扩展到坚硬地层，这就对煤矿钻进用钻头提出了更高的要求。煤矿井下用聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact，以下简称：PDC)钻头的常见类型已从支柱型、内凹型、刮刀型PDC钻头进一步丰富，根据煤矿井下定向钻进和硬岩钻进的需求，先后开发了平底型、平角型和弧角型PDC钻头等多种形式的新型PDC钻头，并取得了较好的应用效果[1-3]。但是通过对钻头使用后情况的统计分析，发现现有平面型PDC切削齿在使用过程中经常出现崩齿、金刚石层脱层以及过度磨损等现象，同时发现PDC切削齿的金刚石层结构及表面形状也是制约钻头使用效果的重要因素[4-6]。为此，笔者对PDC切削齿的金刚石层结构和表面形态进行研究，从优化形态结构出发提高切削齿的耐磨性和切削效率，从而充分发挥新型PDC钻头的优势。

1 仿生PDC切削齿研究及应用现状

仿生学作为一种将生物科学和技术科学有机结合的新型边缘性科学，被迅速应用到各个学科和领域的研究。在石油及煤炭钻井领域，人们通过观察和研究土壤动物的体表非光滑形态，充分利用穿山甲鳞片、蜣螂头部等动物非光滑表面脱附、耐磨以及减阻等特性，将仿生非光滑理论引入到钻头的设计中，以提高钻头的性能和寿命。文献[7]以人类牙齿、贝壳、树木年轮等自然界生物为仿生原型，从聚晶金刚石和硬质合金材料、聚晶金刚石-硬质合金交接面结构以及聚晶金刚石表面非光滑形态3个方面入手设计了仿生耦合PDC钻头，试验结果表明，仿生耦合PDC钻头的机械钻头约为常规PDC钻头的2.5倍，可大幅缩短钻井周期、节约钻井成本[7]。文献[8]根据贝壳和蝼蛄等动植物的非光滑形态结构研制了一种波纹形仿生PDC齿，并通过有限元分析了仿生PDC齿和常规PDC齿破岩过程的应力状态，显示在同等条件下，非光滑PDC齿的应力大小及分布要明显优于普通PDC齿。文献[9]分别对PDC齿金刚石层与硬质合金基体的结合部位结构以及金刚石表面进行仿生设计，分别提出了金刚石层与硬质合金基体倒“S”形结合方式，以及金刚石表面凸包形非光滑表面结构，现场试验表明，非光滑PDC齿钻头比常规PDC钻头寿命更长，平均机械钻头可提高60%以上。由此可见，将仿生非光滑理论应用到PDC切削齿的设计中，具有绝对的可行性与可靠性，但是前面学者都只是根据仿生非光滑理论给出一种特定的PDC复合片表面仿生形态，没有对非光滑表面的结构进行系统的设计优化和分析，而大自然中动物或植物的非光滑表面形态各异，不同的结构有不同的适用性和效果。因此，为了更好地将仿生非光滑理论应用于PDC切削齿的设计中，有必要对不同的仿生非光滑表面形态进行优化设计，以得出最佳的设计方案。

根据探勘情况，本场地边坡主要为顺层岩质边坡，边坡开挖后形成顺层滑动，受到场地条件限制，边坡需直立开挖，同时考虑到治理工程的施工环境、经济合理性与环境适应性，本工程治理方案：主要采用锚拉桩板墙+排水沟措施、场地南侧边坡较小地段采用挡土墙防护措施，此方案既能保证安全，又能有效解决坡顶使用场地稳定性问题。

2.样本基本情况。对广州市某强制隔离戒毒所戒毒次数在2次以上（含2次）的男性戒毒人员进行调查，随机发放114份问卷，回收有效问卷112份。其中平均年龄为42.2岁，最小年龄为26岁，最大年龄62岁。图1为112名戒毒人员操守期频数分布，表1为戒毒人员操守期区间分布，操守期平均为2.14年，最短为0.10年，最大为9年，其中在3年以内（含3年）复吸被再次强戒的占78.6%，说明戒毒人员出所初期是复吸的高危阶段。

2 大锯齿仿生PDC切削齿表面形态设计

2.1 非光滑表面仿生原理

通过对穿山甲、蜣螂、蚯蚓等土壤动物表面形态的观察分析，其形体表面波纹、鳞片或凹凸形态，在不同土体中可起到减阻、脱附以及耐磨的作用。如穿山甲的头部至尾部都覆盖有鳞片状角质层，鳞片的基部都被前排鳞片的末端呈瓦楞状覆盖，这能够保证其在掘进过程中鳞片收缩，外表呈光滑表面，有利于减阻降黏；而使其在后退过程中鳞片微张，犹如一个个切刀，形成对土壤的刮削，有助于快速打洞；如蜣螂头部的凸包形态以及腹部的凹坑形态，有利于减少头部和腹部与土壤的接触面积，降低二者之间的黏附力，从而使得蜣螂推土更加省力；如蚯蚓身体表面的波纹形态，使其在运动过程中波形体表与土壤表面存在一定间隙，有利于减少与土壤的接触面积，从而有效降低与土壤之间的摩擦阻力，身体不黏土且阻力小[10-12]。

实际上，凸包形仿生非光滑表面形态已经在石油钻井、地质勘探等领域所用钻头中有所应用。PDC钻头，其切削齿焊接并出露于钻头体刀翼表面；牙轮钻头，其牙齿以铣削或镶嵌的方式凸出于钻头的牙掌，这些形态都形成了凸包形仿生非光滑结构(图1)。

  

图1 钻头凸包形仿生非光滑表面形态Fig.1 Convex and non-smooth bionic surface morphology of bit

2.2 大锯齿仿生PDC切削齿的设计

为了提高计算效率，PDC切削齿采用刚性材料表示，且材料参数选用聚晶金刚石的材料参数。表1为PDC切削齿及岩石的材料参数。

（5）一稿两用一经证实，将择期在杂志中刊出其作者单位和姓名以及撤销论文的通告；2年内将拒绝接收该作者作为第一作者所撰写的一切文稿，并就此事件向作者所在单位和该领域内的其他科技期刊进行通报。

设计3种大锯齿形非光滑表面形状：波浪形、三角形以及梯形。各方案中，复合片上均设计3组凸块，凸块高度均为0.5 mm。

2.2.1 表面形态设计

青菜、蔬菜、生菜是苏南地区的四季栽培蔬菜，在苏南气候条件下，夏季高温多雨对其构成了高温和高湿胁迫，所以青菜、菠 菜、生菜在夏季生产中往往表现生长缓慢，死苗率高，病虫害严重，叶片易变黄、腐烂等[1]，因此夏季栽培中筛选耐高温高湿的品种成为青菜新品种选育的重要目标之一。鉴于此，笔者选取3个品系(生菜、菠菜、青菜)15份不同蔬菜材料，在不同温度和湿度下对其分别进行高温高湿处理，筛选适宜苏南夏季气候特征的蔬菜品种，旨在降低高温高湿胁迫对蔬菜产量的影响。

  

图2 PDC切削齿表面形状Fig.2 Bionic surface shape of PDC cutter

2.2.2 破岩效果数值模拟

以PDC切削齿线性切削岩石为模型，通过分析PDC切削齿的破岩载荷和破岩比能，优选出最佳的PDC切削齿的仿生表面形状[13-16]。

PDC切削齿及岩石均采用Solid 164实体单元建模，以支持岩石的非线性特性。PDC切削齿规格选用ø13.44 mm×8 mm，岩石采用100 mm×60 mm×30 mm的立方体表示。PDC切削齿切削角度设置为-15°，预设切削深度3 mm，岩石完全固定。假设岩石为连续介质，且岩石被破碎后立即删除，不影响后续钻头的破岩。PDC切削齿与岩石均采用六面体网格进行离散，PDC切削齿离散网格尺寸0.5 mm，岩石模型较大，为节约计算成本，将岩石离散网格尺寸设置为1 mm，模拟计算中，设置PDC切削齿以25 m/h的线速度沿Y负方向平移破碎岩石。大锯齿仿生PDC切削齿破岩三维模型如图3所示。

分别对4种仿生结构方案中PDC切削齿表面的应力状态进行分析，图11为某一时刻各个方案中PDC切削齿表面的应力状态。

  

图3 大锯齿仿生PDC切削齿破岩三维模型Fig.3 3D simulation model of large jagged bionic PDC cutter

根据非光滑表面仿生原理及PDC切削齿加工的可行性，将凸包形与凹坑形仿生形态相结合进行PDC切削齿表面形态设计，由于PDC切削齿表面凹凸不平的存在，一方面减少了复合片与岩石的接触面积，单位面积岩石所受切削压力增加，有利于体提高切削效率，另一方面也有利于减小负压，减阻降黏，防止泥包。

2.2.3 模拟结果分析

对仿真结果进行后处理，分别统计4种不同表面形状PDC切削齿与岩石模拟过程中的切削载荷、轴向载荷以及破岩比能的关系。

 

表1 PDC切削齿及岩石材料参数

 

Table 1 Material parameters of PDC cutter and rock

  

项目密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa切线模量/GPa屈服强度/MPa泊松比切削齿3.56890 5600.07砂岩2.104004450.15

4种PDC切削齿切削载荷随时间变化规律曲线如图4所示，4种PDC切削齿切削载荷随时间变化规律相似，均表现为“跳跃式”循环变化特征，当发生小体积岩石破碎时，切削载荷成小幅度跳跃，随着切削齿的继续前移，切削载荷继续增大，当小体积破碎累积成大体积岩石崩切时，作用在切削齿上的载荷骤然下降，在切削载荷曲线上则表现为大幅度跳跃变化。

操！要是真能落洞就好了。管他是兽是神！红琴憋得满脸通红，许久之后呼吸才重新变得均匀，吐气若兰，絮絮的像微风穿过林间。窗外的清风如泣如诉，宛若奏着小夜曲时的和弦。她开始想风影了，算了吧，似乎是命定的，一切都是宿命，自己的青春就像树上的花蕾，开着也就开着，落下也就落下，自己的生命就像流水上的浮叶，漂到哪儿是哪儿。她笑了笑，又叹了口气，声调是幽怨的，既是命运早已经安排好的，那就认命吧。

  

图4 4种PDC切削齿切削载荷随时间变化规律Fig.4 Cutting forces vary with time of four different bionicPDC cutter

对图中切削载荷求平均值，可得普通PDC切削齿的平均切削载荷为94.39 N，波浪形PDC切削齿的平均切削载荷为76.12 N，三角形PDC切削齿的平均切削载荷为62.19 N，梯形PDC切削齿的平均切削载荷为101.16 N。其中，以三角形PDC切削齿的平均切削载荷最小。

在诊室空间设计过程中，设计人员需要设置单人诊室，为患者提供更好的就医体验，保障患者的权益。为了保证诊室空间设计更加合理，设计人员要将诊室内部的各项设备进行统一规划，保证诊室内部环境更加和谐，对患者的情绪起到良好的缓解作用。诊室中也可以悬挂装饰品，营造良好的就医氛围。诊室内部的通风与采光效果要不断加强，定期进行通风，保证室内细菌浓度不断下降。

4种PDC切削齿侧向载荷随时间变化规律曲线如图5所示，普通复合片和梯形仿生复合片的侧向载荷波动明显，在-50～50 N上下波动；而波浪形仿生复合片和三角形仿生复合片的侧向载荷较小，在-0.5～0.5 N上下波动，侧向力平衡性较好。

  

图5 4种PDC切削齿侧向载荷随时间变化规律Fig.5 Radial forces vary with time of four different bionicPDC cutter

4种PDC切削齿岩石体积随时间变化规律曲线如图6所示，各PDC切削齿作用下的岩石体积随时间变化规律相似，均呈近似线性减少趋势，其中波浪形PDC切削齿、三角形PDC切削齿与梯形PDC切削齿岩石体积减小幅度近似相同，而普通复合片的岩石体积减小幅度相对较平缓。经过2.3 s，普通PDC切削齿、波浪形PDC切削齿、三角形PDC切削齿与梯形PDC切削齿的岩石破碎体积分别为1.48、1.54、1.54、1.52 cm3。

  

图6 4种PDC切削齿岩石体积随时间变化规律Fig.6 Rock volumes vary with time of four differentbionic PDC cutter

切削载荷反映了切削齿受力的大小，岩石破碎比能则可以从能量的角度反映切削齿的破岩效果，岩石破碎比能越小，PDC切削齿的破岩效果则越好。经过2.3 s，4种PDC切削齿的岩石破碎比能关系如图7所示。

  

图7 4种PDC切削齿的岩石破碎比能关系Fig.7 Rock breaking specific energy of four differentbionic PDC cutter

由图7可以看出，各PDC切削齿的岩石破碎比能关系为：三角形PDC切削齿<波浪形PDC切削齿<普通PDC切削齿<梯形PDC切削齿，综合对比PDC切削齿的受力和破岩破碎比能，可以确定三角形PDC切削齿表面形状最佳。

3 三角形PDC切削齿结构参数设计

根据第2节的分析可以确定采用三角形作为PDC切削齿表面形状为最佳，但是对于具体的结构参数确定需要通过进一步的分析来确定。

模拟时设置PDC切削齿的切削角度-15°，切削深度3 mm，切削速度25 m/h；岩石采用40 mm×50 mm×15 mm的立方体表示。PDC切削齿与岩石均采用六面体网格进行离散，复合片离散网格尺寸1 mm；对岩石中心40 mm×30 mm×15 mm的区域进行网格细化，网格尺寸1 mm，其余部位网格尺寸2 mm，以提高计算效率和计算精度。岩石采用随动塑性硬化材料模型，PDC切削齿选用弹性材料模型，二者的材料参数见表1。图10为PDC切削齿及岩石的网格划分模型。

  

图8 三角形大锯齿结构参数示意Fig.8 Sketch map of triangular surface shape parameters

3.1 三角形大锯齿结构参数设计数值模拟

以ø13.44 mm×8 mm的PDC切削齿为例，根据三角形宽度L，在复合片表面分别设计1个三角形(L=6.72 mm)、2个三角形(L=4.48 mm)、3个三角形(L=3.36 mm)以及4个三角形(L=2.69 mm)大锯齿仿生结构4个方案，如图9所示。

  

图9 切削齿上三角形仿生结构方案Fig.9 Triangle bionic structure scheme of PDC cutter

以PDC切削齿线性切削岩石为模型，通过观察PDC切削齿上的受力特征以及破岩比能，优选出最佳的三角形大锯齿结构参数。

三角形表面结构形状的参数具体可以概括为三角形高度H以及三角形的宽度L，如图8所示。由于PDC切削齿聚晶金刚石层的厚度一般为1.5～2.0 mm，因此高度H不宜过大，H过大，聚晶金刚石层厚度相应减小，切削齿的耐磨性就会降低，为了既能突出仿生效应又保证复合片的耐磨性，将高度H设置为0.5 mm。三角形宽度L的设置体现了复合片表面三角形槽的个数，L越大，三角形槽数量越少，因此需要对三角形的宽度L进行优化设计。

3种大锯齿仿生表面形状PDC切削齿与普通PDC切削齿的三维模型如图2所示，分别进行破岩数值模拟，以破岩载荷以及破岩比能为评价指标，优选出最佳的PDC切削齿的仿生表面形状。

  

图10 PDC切削齿及岩石网格划分模型Fig.10 Mesh partitioning model of PDC cutter and rock

3.2 模拟结果分析

Pinheiro和Faustino讨论了红细胞与具有不同反离子（Li+, Na+, K+, Lys+和Tris+）的Nα,Nε-二辛基赖氨酸盐之间的相互作用[136]。表面活性剂与红细胞膜之间的相互作用随浓度不同呈截然相反的双向模式：在低浓度区防止低渗溶血，而在高浓度区则引起溶血。

  

图11 各仿生结构方案中PDC切削齿表面应力分布Fig.11 Stress distribution cloud of different bionicstructure PDC cutters

通过破岩过程中PDC切削齿表面的应力状态进行分析，得出PDC切削齿上三角形仿生形状数量越多，PDC切削齿的侧向载荷波动越平缓，破岩过程的稳定性越好。

计算各方案中平均切削载荷、平均侧向载荷以及岩石破碎比能，表2列出了各方案PDC切削齿切削载荷、侧向载荷、破岩体积以及破岩比能值。

综合应力、载荷及破岩比能参数分析，PDC切削齿上加工3个三角形仿生结构所需的切削载荷相对较小，且所需的岩石破碎比能少。因此，选择在PDC复合片上加工3个三角形仿生结构作为最佳表面结构形态，但是该方案中PDC切削齿的局部应力相对较大，因此应尽量选择品级相对较高的PDC切削齿。

在实验教学中要想有效培养学生的创新思维，教师必须突出学生的主体地位，把以学生为本的教学理念融入到实验教学中。在传统的物理教学课堂中，教师大多不会让学生动手操作，或自己演示、或多媒体演示、或只是口头讲解，只是将知识死板地灌输给学生。这也许是教师处于安全考虑，毕竟做实验会存在一定的风险，但是对于学生来说，他们在学习实验的时候，缺乏独立思考，积极性不高，长此以往会对物理学习产生抵触心理，因此教师在实验教学过程中要充分尊重学生的主体地位，让他们变“观看”为“实践”。只有这样，学生才能在实验过程中发现问题、解决问题，进而培养自身的动手能力和创新思维。

 

表2 各方案PDC切削齿载荷及破岩比能

 

Table 2 Forces and rock breaking specific energy of different bionic structure PDC cutters

  

类型平均切削力/N平均侧向力/N破岩体积/10-7m3破岩比能/(106J·m-3)1个三角形仿生结构128.171.5204.354.712个三角形仿生结构100.803.3804.523.573个三角形仿生结构74.040.0304.232.804个三角形仿生结构155.000.0164.345.71

4 PDC切削齿的实钻性能室内试验

根据以上分析，以ø13.44 mm×8 mm的PDC切削齿为例，按照3个三角形仿生结构设计并委托不同厂家按照不同材料和工艺加工一批大锯齿仿生PDC切削齿(图12)，然后将大锯齿仿生PDC切削齿钎焊到两翼型微钻头体上(图13)，通过室内微钻试验台，选用岩样为砂岩，对A、B、C、D四个生产工艺的大锯齿仿生PDC切削齿的实钻性能进行了测试，钻压均为1 413 N，转速均为210 r/min，其他测试结果见表3。

  

图12 不同结构仿生PDC切削齿Fig.12 PDC cutter with different bionic structures

  

图13 仿生锚杆钻头Fig.13 Anchor bit with bionic PDC cutter

试验结果表明，大锯齿仿生PDC切削齿平均钻进效率明显高于平面片，但仿生切削齿易出现崩刃现象，对比4种仿生切削齿，可知仿生D型PDC切削齿未出现崩片现象，且钻进效率较高，所以仿生PDC钻头可采用此种仿生PDC切削齿。

几个保安冲出来，把贾鹏飞按在地上，用戒尺在他的屁股上抽了三十下。这戒尺是胡马强平时惩戒保安用的，今天在保安手上用起来格外得心应手，也把贾鹏飞抽得半天才站立起来，在保安虎视眈眈的淫威之下，他绝望地趔趄着离去。

 

表3 微钻试验结果

 

Table 3 Results of micro-drilling test

  

项目累计用时/min钻进深度/mm钻进效率/(m·h-1)备注仿生切削齿A40.00 4800.72崩片11.30 8004.25崩片仿生切削齿B11.90 8004.03崩片15.25 8003.15崩片仿生切削齿C48.402 5603.17可用24.95 6801.64不可用仿生切削齿D28.401 7603.72可用30.001 7603.52可用平面切削齿9.20 3202.09效率低

5 结 论

1)仿生非光滑理论应用到PDC切削齿的设计中，具有可行性与可靠性，本文设计和加工的大锯齿仿生PDC切削齿，结构合理，用于PDC钻头设计能够有效提高钻头的破岩效率和使用寿命。

2)仿生PDC切削齿的表面凹槽设计时，以三角形为最佳选择，三角形凹槽深度和数量与PDC切削齿的直径及金刚石层的厚度有关，以ø13.44 mm×8 mm的PDC切削齿为例，三角形凹槽数选择3个为最佳。

3)大锯齿仿生PDC切削齿由于凹槽的存在，增加了与岩石接触的自由面，有利于提高钻进效率，但是破岩过程中容易出现“跳跃式”循环载荷冲击，使得PDC切削齿在使用过程中容易出现“崩片”现象，为保证使用寿命，在材料和加工工艺应比普通平面片要求更高。

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