文档介绍
| 液动冲击锤是冲击回转钻进系统的主要工作部件，广泛应用于硬岩钻探领域。但由于冲击锤工作环境恶劣，活塞缸套易受冲蚀而磨损，在冲击锤工作过程中频繁更换，直接影响到了钻探效率。提高液动冲击锤活塞及缸套的耐磨蚀性能，长期以来一直是钻具研究工作者关注的焦点。本文针对液动冲击锤中活塞缸套的磨损形式，应用数值模拟和试验相结合的研究方法，研究了提高冲击锤活塞缸套耐磨损性能的仿生方法与技术，并探索了冲击锤活塞缸套仿生表面的制备工艺。选取生活在泥沙环境中的贝类--毛蚶作为仿生模本，应用逆向工程技术（Geomagicstudio软件）建立毛蚶壳表面模型，并用CFD与DEM耦合方法模拟了毛蚶表面多相流流场。应用GetData Graph Digitizer软件分析了毛蚶表面部分轮廓曲线，获得了曲线数学模型，建立单元仿生模型。采用显微硬度仪测量了毛蚶壳表面硬度分布，结果表明毛蚶壳表面呈软硬相间的结构。模仿毛蚶表面特性建立了形态/材料二元耦合仿生模型。本文通过试验优化设计方法对比研究了光滑样件、单元仿生试验样件与耦合仿生样件的耐磨损性能，并运用极差分析得到了耦合仿生试样各因素对磨损率的影响的主次关系。结果表明：对试样磨损率影响的主次因素依次为激光表面强化技术（D）、振幅（B）、周期（C）和条纹方向（A），耐磨损性能从高到低依次为耦合仿生试样、单元仿生试样与光滑试样。在本试验条件下，法向条纹仿生试样的耐磨损性能优于切向条纹仿生试样的耐磨损性能。应用EDEM与FLUENT耦合方法对比模拟了单元仿生试样与光滑试样表面多相流流场，获取了仿生表面水-砂粒多相流流场信息及砂粒对仿生壁面的作用行为。结合试验初步分析了仿生试样的耐磨损机理：法向条纹仿生试样表面棱纹结构改变了砂粒的运动方向，凹槽结构内的低速流体减弱了粒子对壁面的冲击，保护了试样凹槽处材料。棱纹作为受冲击较大部位进行强化处理后，进一步提高了耦合仿生样件的耐冲蚀性能。应用试验设计优化20CrMnTi材料的激光加工试验参数，获取了冲击锤活塞缸套耐磨损表面的制备工艺。激光合金化最优参数组合为峰值功率0.657kW，脉宽4ms，扫描速度1.5mm·s-1，频率6Hz，离焦量7mm，激光相变硬化最优参数组合为峰值功率0.974kW，脉宽4ms，扫描速度2.0mm·s-1，频率4Hz，离焦量7mm。单元体横截面处凹坑、气孔和裂纹的产生原因是激光单体能量过大，造成的材料飞溅。激光合金化处理后硬度显著提高，其金相组织表现为晶粒细化，针状马氏体组织增多。考虑激光表面强化技术、强化带形状、宽度或间距等因素制备仿生冲击锤活塞样件。 |
文档标签:
流体力学
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