本发明属于土壤钻探技术领域，涉及一种土壤钻进用减粘脱附仿生钻具及制备方法。
背景技术：
随着环境科学发展和人们对环境保护的日益重视，土壤环境问题越来越受到人们的关注。为了更好地支撑生态文明建设，打好污染防治攻坚战，国家对土壤环境调查和保护职能提出了新要求，为此需要开展土壤环境调查工作，而土壤钻进取样是土壤环境调查不可或缺的技术方法。
土壤钻进取样中，为了减少冲洗液对土壤的污染与扰动，一般采用无冲洗液循环钻进工艺，常用的钻进工艺有：直推静压钻进、螺旋钻进、声频振动钻进、冲击钻进。这些钻进工艺在施工过程中，存在的最大问题就是土壤粘附钻具，造成钻进效率较低、功耗大。
土壤钻进过程中，在压力作用下，钻具与土体直接接触，钻具首先给接触土体一个挤压力，土壤受到钻具挤压后产生变形，土壤空隙水被挤出，在接触截面再分布形成很薄的水膜，水膜的表面张力就形成了土壤与钻具的粘附力，造成大量的土壤粘附在钻具表面；随后，在快速拉脱力的作用下粘附界面的水分来不及反向流动，从而造成局部负压，使钻具与土壤产生真空吸附造成钻进功耗大，钻进质量差、效率低。由于以上两种形式的粘附作用的影响，土壤钻进的质量、效率和进尺深度都受到了很大影响。因此，如果能有效地降低土壤与钻具的粘附力，分析土壤粘附问题，设计一种具有减粘脱附能力的钻具，必将大大提高钻进施工速度和质量，具有重要的理论意义和实用价值。
为此，本发明鉴于上述使用工况和技术现状，研究设计出了一种土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，以克服上述缺陷。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了提供一种土壤钻进用减粘脱附仿生钻具及制备方法，以解决上述不足。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，包括依次连接的公接头、杆体和母接头，且公接头、杆体和母接头的外壁组成圆柱形钻具外壁，在钻具外壁上设有连续沟槽将钻具外壁分隔成多个有序排布的相同规则块以能破坏钻具与土壤接触界面的水膜连续性，进而减小钻具的实际接触土壤面积降低土壤粘附力，且在钻具外壁上涂覆有超疏水涂层以提高钻具表面抗粘附能力。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述规则块的外接圆半径为6-15mm，连续沟槽的槽宽为0.5-3mm，连续沟槽的槽深为1-2mm。
具体的，所述连续沟槽由多个顺时针螺旋槽和多个逆时针螺旋槽相交得到，顺时针螺距和逆时针螺旋槽的螺距相同且均为220mm，顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽的槽宽均为2mm，槽深均为2mm；顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽将钻具分隔成的规则块为四边形结构，且该四边形结构的外接圆半径为12mm。
具体的，所述连续沟槽将钻具分隔成的规则块为六边形结构，且该六边形结构的外接圆半径为10mm；该连续沟槽的槽宽为2mm，槽深为2mm。
具体的，所述六边形结构的规则块沿轴向依次排布，并在周向均布。
具体的，公接头与杆体之间以及母接头与杆体之间均通过摩擦焊接连接，公接头、杆体和母接头内部设有轴向贯通的中心孔。
具体的，所述公接头、杆体和母接头的外径均为73mm，公接头、杆体和母接头摩擦焊接后的总长度为1000mm，中心孔的直径为45mm。
具体的，所述超疏水涂层为聚四氟乙烯超疏水涂层；所述超疏水涂层的厚度为35μm。
一种所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，进行公接头、母接头及杆体下料，公接头、母接头通过粗加工和调制处理形成初步毛坯，杆体进行两端面和外圆的粗加工；
步骤二，在数控车床上进行公接头、母接头的螺纹加工，并对公接头、母接头进行表面氮化处理，提高公接头、母接头的表面硬度和耐磨性能；
步骤三，分别将公接头、母接头和杆体进行摩擦焊接，焊后进行热处理和外圆面精加工；
步骤四，在数控加工中心上进行钻具外圆面连续沟槽的加工，加工刀具直径与连续沟槽的槽宽相同，保证一次加工成形；
步骤五，采用化学气相沉积法在钻具表面涂覆聚四氟乙烯超疏水涂层。
具体的，当连续沟槽为顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽时，所述步骤四包括：编制数控加工程序，在四轴立式加工中心上进行钻具表面连续沟槽加工，刀具直径为φ2mm，加工时以公接头为起点，刀具沿轴向移动，钻杆逆时针旋转，加工完一条顺时针螺旋槽后钻杆旋转45°进行第二条顺时针螺旋槽加工，依次完成其它顺时针加工；逆时针螺旋槽加工时，仍然以公接头为起点，钻杆顺时针旋转，依次完成多条逆时针螺旋槽加工。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
1、本发明基于仿生学原理，通过“仿生非光滑表面降阻 超疏水涂层减粘”耦合作用，破坏与土壤接触界面的水膜连续性，减小钻具的实际触土面积，降低土壤对钻具表面的粘附力，提高土壤钻进效率和质量，降低功耗。
2、本发明优化设计仿生规则块的尺寸大小、连续沟槽宽度和深度，可有效降低钻具的旋转和推进阻力，提供钻进效率。
3、本发明在钻具外表面涂覆聚四氟乙烯超疏水涂层，构建超疏水界面，降低土层泥包吸附性，有效地减少土壤和其它杂物对钻具表面的粘附。
4、现有的土壤钻进多采用冲击或直推式工艺，钻具及螺纹连接处易产生疲劳破坏；本发明采用了高强度的合金材料，在不增加钻具结构尺寸的情况下，保证了其强度满足土壤钻进各工艺方法的使用要求。
5、仿生非光滑表面降低了钻具的钻具阻力，超疏水涂层减小了土壤对钻具的粘附作用，本发明将二者进行耦合设计，彻底解决了因土壤粘附而导致的钻具效率低、功耗大的问题。
6、土壤取样钻探技术在环境调查、矿产普查、基础地质填图调查、水文调查、物探勘查、矿产调查、考古调查、工程勘查施工等领域中，发挥着重要的作用，有广泛的应用领域，本发明设计的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具可为土壤钻进提供良好的技术和设备支撑，可以大大提供施工效率，降低施工成本。
附图说明
图1为本发明实例1的钻具整体结构示意图。
图2为本发明实例1的钻具轴侧示图。
图3为本发明实例1的钻具剖面示意图。
图4为本发明实例1的四边形结构规则块排布尺寸图。
图5为本发明实例2的钻具整体结构示意图。
图6为本发明实例2的钻具轴侧示图。
图7为本发明实例2的钻具剖面示意图。
图8为本发明实例2的六边形结构规则块排布尺寸图。
附图标记含义：
1.公接头，2.杆体，3.母接头，4.顺时针螺旋槽，5.逆时针螺旋槽，6.四边形结构，7.六边形结构。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
本发明一是针对土壤中具有非凡减粘脱附功能的生物，通过仿生应用学，对钻具表面进行形态设计，构建形状、组织、材料等多元耦合作用的仿生几何体，通过不同几何体的有序排布，破坏与土壤接触界面的水膜连续性，减小钻具的实际触土面积，降低土壤粘附力，改善钻具的旋转和推进阻力；二是在仿生几何单元的外表面涂覆聚四氟乙烯超疏水涂层，提高钻具表面抗粘附能力，使得粘湿的土壤很难粘附在钻具表面，有效地减少土壤和其它杂物对钻具表面的粘附。通过钻具表面仿生设计和表面涂覆改性的耦合作用，解决土壤钻进过程中钻具表面土壤粘附问题，减小土层泥包吸附，提高钻进效率。
土壤动物如蚯蚓、蝼蛄、蜣螂、蚂蚁等，经过亿万年的进化，造就了其适应环境的优秀本领，不但使其在土壤挖掘过程中得到最低的挖掘阻力，而且具有优良的脱土降阻功能。研究表明，典型的土壤动物如穿山甲等具有较强的土壤挖掘功能，其生物体表的非光滑形态在挖土过程中，可以降低粘着磨损和摩擦系数，具有很强的减粘降阻功能。这些动物的减粘降阻功能一般由多元因素耦合作用的结果：①动物体表触土部位具有特殊的表面几何结构，不利于土壤粘附；②动物体表具有较强的憎水性物质或低表面能特征，能够起到润滑和抗粘附作用。
为此，本发明基于仿生学原理，通过“仿生非光滑表面降阻 超疏水涂层减粘”耦合作用，破坏与土壤接触界面的水膜连续性，减小钻具的实际触土面积，降低土壤对钻具表面的粘附力，提高土壤钻进效率和质量，降低功耗。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
如图1至图4所示，本实施例提供一种土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，包括依次连接的公接头1、杆体2和母接头3，且公接头1、杆体2和母接头3的外壁组成圆柱形钻具外壁，在钻具外壁上设有连续沟槽将钻具外壁分隔成多个有序排布的相同规则块以能破坏钻具与土壤接触界面的水膜连续性，进而减小钻具的实际接触土壤面积降低土壤粘附力，且在钻具外壁上涂覆有超疏水涂层以提高钻具表面抗粘附能力。规则块的外接圆半径为6-15mm，连续沟槽的槽宽为0.5-3mm，连续沟槽的槽深为1-2mm。
其中：规则块减小了钻具钻进过程中的实际触土面积，破坏了界面水膜的连续性，其减粘脱附作用表现在：①在土壤与多棱柱体耦合非光滑表面所组成的粘附系统中，钻具能够顺利钻进不粘附土体，就必须保证土壤与钻具的摩擦力小于土体的剪切阻力，而非光滑表面破坏了粘附界面水膜的连续性，减小了钻具的实际触土面积，从而降低毛细管力并有效地减少真空负压，降低了土壤的粘附力；②对于含水量较少的粘性土，由于规则块的非连续性和仿生沟槽的贯通性，造成了粘附界面的空气流动和存储，使得钻具与土壤之间存在空气膜，降低了表面摩擦系数；③对于法相粘附而言，钻具要想脱土就必须保证钻具表面对土壤的吸附力小于土壤本身的内聚力，由于规则块分布的不连续性，使得粘附功减小，达到了减粘脱土的效果。聚四氟乙烯超疏水涂层是一种典型仿生疏水涂层，是一种低表能的涂层材料，具有优异的抗污和自清洁性能；在规则块表面涂覆，可以大大降低了粘湿土壤的粘附力，进一步避免了因钻进阻力大土壤粘附严重而造成钻进效率低，钻具磨损快。
本实施例中，连续沟槽由多个顺时针螺旋槽4和多个逆时针螺旋槽5相交得到，顺时针螺距和逆时针螺旋槽的螺距相同且均为220mm，顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5的槽宽均为2mm(如图4a)，槽深均为2mm(如图4h)；顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5将钻具分隔成的规则块为四边形结构6，且该四边形结构6的外接圆半径为12mm。
公接头1与杆体2之间以及母接头3与杆体2之间均通过摩擦焊接连接，公接头1、杆体2和母接头3内部设有轴向贯通的中心孔。
公接头1、杆体2和母接头3的外径均为73mm，公接头1、杆体2和母接头3摩擦焊接后的总长度为1000mm，中心孔的直径为45mm。
超疏水涂层为聚四氟乙烯超疏水涂层；超疏水涂层的厚度为35μm。仿生聚四氟乙烯超疏水涂层对钻具表面的减粘特征表现为，材料表面的粘附现象从本质上来说是一种界面现象，当土壤析出水与钻具表面的接触角大于150°时，则该界面称为超疏水界面，此时，析出水聚集成水滴状或聚股状，不会产生连续的水膜粘附在钻具表面；本发明的仿生聚四氟乙烯超疏水涂层仅涂覆在规则块的外表面，在仿生非光滑表面减粘脱附的基础上，进一步提升仿生钻具的脱附作用，从而更好的达到本发明的目的。
实施例2：
如图5至图8所示，本实施例提供一种土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，包括依次连接的公接头1、杆体2和母接头3，且公接头1、杆体2和母接头3的外壁组成圆柱形钻具外壁，在钻具外壁上设有连续沟槽将钻具外壁分隔成多个有序排布的相同规则块以能破坏钻具与土壤接触界面的水膜连续性，进而减小钻具的实际接触土壤面积降低土壤粘附力，且在钻具外壁上涂覆有超疏水涂层以提高钻具表面抗粘附能力。规则块的外接圆半径为6-15mm，连续沟槽的槽宽为0.5-3mm，连续沟槽的槽深为1-2mm。
本实施例中，连续沟槽将钻具分隔成的规则块为六边形结构7，且该六边形结构7的外接圆半径为10mm；该连续沟槽的槽宽为2mm(如图8a)，槽深为2mm(如图8h)。
六边形结构7的规则块沿轴向依次排布，并在周向均布。
公接头1与杆体2之间以及母接头3与杆体2之间均通过摩擦焊接连接，公接头1、杆体2和母接头3内部设有轴向贯通的中心孔。
公接头1、杆体2和母接头3的外径均为73mm，公接头1、杆体2和母接头3摩擦焊接后的总长度为1000mm，中心孔的直径为45mm。
超疏水涂层为聚四氟乙烯超疏水涂层；超疏水涂层的厚度为35μm。
实施例3：
一种土壤钻进用减粘脱附仿生钻具的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，进行公接头、母接头及杆体下料，公接头、母接头通过粗加工和调制处理形成初步毛坯，杆体进行两端面和外圆的粗加工；
步骤二，在数控车床上进行公接头、母接头的螺纹加工，并对公接头、母接头进行表面氮化处理，提高公接头、母接头的表面硬度和耐磨性能；
步骤三，分别将公接头、母接头和杆体进行摩擦焊接，焊后进行热处理和外圆面精加工；
步骤四，在数控加工中心上进行钻具外圆面连续沟槽的加工，加工刀具直径与连续沟槽的槽宽相同，保证一次加工成形；
步骤五，采用化学气相沉积法在钻具表面涂覆聚四氟乙烯超疏水涂层。
当连续沟槽为顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽时，步骤四包括：编制数控加工程序，在四轴立式加工中心上进行钻具表面连续沟槽加工，刀具直径为φ2mm，加工时以公接头为起点，刀具沿轴向移动，钻杆逆时针旋转，加工完一条顺时针螺旋槽后钻杆旋转45°进行第二条顺时针螺旋槽加工，依次完成其它顺时针加工；逆时针螺旋槽加工时，仍然以公接头为起点，钻杆顺时针旋转，依次完成多条逆时针螺旋槽加工。在本实施例中，顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽各有8条，在其他实施例中，根据实际工作需要，设置其他数量均能达到本实施例的效果。
1.一种土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，其特征在于，包括依次连接的公接头(1)、杆体(2)和母接头(3)，且公接头(1)、杆体(2)和母接头(3)的外壁组成圆柱形钻具外壁，在钻具外壁上设有连续沟槽将钻具外壁分隔成多个有序排布的相同规则块以能破坏钻具与土壤接触界面的水膜连续性，进而减小钻具的实际接触土壤面积降低土壤粘附力，且在钻具外壁上涂覆有超疏水涂层以提高钻具表面抗粘附能力。
2.如权利要求1所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，其特征在于，所述规则块的外接圆半径为6-15mm，连续沟槽的槽宽为0.5-3mm，连续沟槽的槽深为1-2mm。
3.如权利要求2所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，其特征在于，所述连续沟槽由多个顺时针螺旋槽(4)和多个逆时针螺旋槽(5)相交得到，顺时针螺距和逆时针螺旋槽的螺距相同且均为220mm，顺时针螺旋槽(4)和逆时针螺旋槽(5)的槽宽均为2mm，槽深均为2mm；顺时针螺旋槽(4)和逆时针螺旋槽(5)将钻具分隔成的规则块为四边形结构(6)，且该四边形结构(6)的外接圆半径为12mm。
4.如权利要求2所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，其特征在于，所述连续沟槽将钻具分隔成的规则块为六边形结构(7)，且该六边形结构(7)的外接圆半径为10mm；该连续沟槽的槽宽为2mm，槽深为2mm。
5.如权利要求4所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，其特征在于，所述六边形结构(7)的规则块沿轴向依次排布，并在周向均布。
6.如权利要求1所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，其特征在于，公接头(1)与杆体(2)之间以及母接头(3)与杆体(2)之间均通过摩擦焊接连接，公接头(1)、杆体(2)和母接头(3)内部设有轴向贯通的中心孔。
7.如权利要求1所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，其特征在于，所述公接头(1)、杆体(2)和母接头(3)的外径均为73mm，公接头(1)、杆体(2)和母接头(3)摩擦焊接后的总长度为1000mm，中心孔的直径为45mm。
8.如权利要求1所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具，其特征在于，所述超疏水涂层为聚四氟乙烯超疏水涂层；所述超疏水涂层的厚度为35μm。
9.一种权利要求2所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，进行公接头、母接头及杆体下料，公接头、母接头通过粗加工和调制处理形成初步毛坯，杆体进行两端面和外圆的粗加工；
步骤二，在数控车床上进行公接头、母接头的螺纹加工，并对公接头、母接头进行表面氮化处理，提高公接头、母接头的表面硬度和耐磨性能；
步骤三，分别将公接头、母接头和杆体进行摩擦焊接，焊后进行热处理和外圆面精加工；
步骤四，在数控加工中心上进行钻具外圆面连续沟槽的加工，加工刀具直径与连续沟槽的槽宽相同，保证一次加工成形；
步骤五，采用化学气相沉积法在钻具表面涂覆聚四氟乙烯超疏水涂层。
10.如权利要求9所述的土壤钻进用减粘脱附仿生钻具的制备方法，其特征在于，当连续沟槽为顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽时，所述步骤四包括：编制数控加工程序，在四轴立式加工中心上进行钻具表面连续沟槽加工，刀具直径为φ2mm，加工时以公接头为起点，刀具沿轴向移动，钻杆逆时针旋转，加工完一条顺时针螺旋槽后钻杆旋转45°进行第二条顺时针螺旋槽加工，依次完成其它顺时针加工；逆时针螺旋槽加工时，仍然以公接头为起点，钻杆顺时针旋转，依次完成多条逆时针螺旋槽加工。
技术总结