牙轮钻头硬质合金齿的有限元分析 - 文章

牙轮钻头硬质合金齿的有限元分析

作者：江钻股份有限公司涂关富

硬质合金齿是牙轮钻头破岩的主要元件，也是决定合牙轮钻头钻速的主要影响因素。在牙轮钻头使用的过程中，硬质合金齿的损坏是钻头主要的失效原因。为此，我们必须提高牙齿的破岩效率，延长硬质合金齿的寿命。为了达到这个目的，我们可以从材料和结构两方面改进。对于如何改善硬质合金齿的结构，提高破岩效率，必须考虑其受力情况。这里，我们用abaqus软件来对不同硬质合金齿在同样的受力情况下进行分析，得出牙齿内部的变形和受力，为改进牙齿齿型提供了理论依据。

1、前言

在钻井过程中，牙轮钻头的寿命主要取决于硬质合金齿的寿命，如何提高硬质合金齿的寿命，也正是我们项目开展的目的，我们的研究主要是从齿的结构入手的。如何改善硬质合金齿的形状，提高破岩效率，得从硬质合金齿的受力分析开始。由于硬质合金齿齿形和受力的复杂性，用有限元法来分析硬质合金齿的内力情况是比较有效的。本文用有限元分析软件abaqus对三种不同硬质合金齿进行了有限元分析。

2、力学模型

在牙齿工作过程中，牙齿与井底接触时的受力情况比较复杂，牙齿随牙轮旋转，逐渐吃入岩石，刮削岩石，牙齿和岩石面的接触位置沿牙齿周向不断改变，牙齿接触面也不断改变，接触载荷也不断随之变化，所以载荷分布于牙齿齿顶面和牙齿的刮切面。为了便于分析，我们只取了最简单的正面受压的情况分析。

2.1硬质合金齿空间的有限元模型

硬质合金齿的几何模型及其中一个的有限元模型：

其中图（1）为I齿，图（2）为II齿，图（3）是III齿。图（4）是III齿的有限元模型,采用四面体单元划分的网格。另外两种的有限元模型与图（4）类似。

2.2位移边界条件

硬质合金齿的底面固定约束，镶入牙轮体内的硬质合金齿周面周向约束，允许有轴向位移。

2.3牙齿物理力学特性

牙齿材料是WC硬质合金，弹性模量6.4e5Mpa，泊松比0.22，抗拉强度1.12e3Mpa，抗压强度5.46e3Mpa，抗压强度是抗拉强度的4.875倍。

3、结果分析

3.1加载工况

在各个硬质合金齿齿顶部分加10KN的载荷。加载图形如图（5）：

3.2在正面加10KN时硬质合金齿最大应力变化的情况

从上表可以知道，在顶部受压的情况下，I齿、II齿、III齿的σ压/ σ拉均大于4.875，故在这种工况下均以压应力破坏形式为主。

3.3破坏方式

由于I齿、II齿、III齿是以压应力破坏形式为主的，所以其破坏方式应以主应力3产生的破坏方式为主。破坏趋势如图（6）、图（7）、图（8）：趋势为A－>B－>C

4、结论

从上面的分析可以得出以下结论：

1、III在顶部加同样的载荷时，III的极限载荷最大。I齿与II齿极限载荷大小相差不大。
2、 I齿和II齿在顶部受压时比III更容易失效。
3、这三种齿型在顶部受压时失效方式一样。(end)

(投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2005-4-23，阅读2629次)

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