牙轮钻头硬质合金齿的有限元分析.doc

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1、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

2、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

3、，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

4、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

5、）：趋势为A－>B－>C4、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)