PDC钻头冠部设计原理与方法-李树盛

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1、维普资讯http://www.cqvip.comG(钦ac}p键卜～3第26卷第3期石油机械1998盘，．i尸＼1PDC钻头冠部设计的原理与方法f0Z摘要冠部设计是PDC钻头总体设计的一尘重要戤部分，过去一直是凭经验设计．缺乏理论依据，随意性较大。鉴于此，根据PDC钻头冠部设计的基本要求，推导出了按等切削、等磨损和等功率原则设计的理论冠部曲线方程武，解决了PDC钻头设计中长期存在的理论问题．并建立了计算机辅助冠部设计的方法和相应的计算机程序。运用该方法进行冠部设计．可以提高设计的科学性和准确性该方法已在生产实践中得到应用，取得了很好的使用效果。主题词聚晶盘刚石钻头计算机辅助

2、设计计算机程序PDC钻头冠部设计是PDC钻头总体设计的一2．切削齿在冠部表面容易布置，有足够的布齿个重要组成部分，冠部形状决定PDC钻头的布齿空间和排屑空间。面，并对钻头工作性能有一定的影响。过去PDC钻3．设计的冠部形状易于加工成型。头的冠部形状一直是依靠经验设计，类比同类型其下面将根据不同的钻头设计原则，建立钻头的它钻头的冠部形状来确定设计参数。最初是类比金理论冠部曲线方程式，然后把理论冠部曲线拟台为刚石钻头的冠部形状，后来在设计和使用中逐渐完典型的冠部形状，确定出冠部结构参数。善和发展，才形成目前常见的几种典型冠部形状J。理论冠部曲线方程式直到现在．在进行具体结构设计

3、确定冠部结构参数时，仍然缺乏理论依据，随意性较大。鉴于此，笔者从目前，PDC钻头上最常见的是翼片式布齿，即如何使冠部形状设计较好地满足PDC钻头总体设计沿钻头冠部表面的母线布齿。现考察钻头上的一个原则出发，提出了冠部设计的原理和方法。翼片，如图l所示，设该翼片上第i颗齿中心在半径处，装配角为．在冠部曲线上占有的曲线冠部设计的基本要求冠部设计是根据钻头总体参数，如钻头直径、型号、外锥高度、内锥深度等，合理设计冠部轮廓形状，为PDC钻头布齿设计提供合理的空间表面。它应当满足以下三个基本要求：1冠部形状设计应有助于实现钻头设计原则，如按等切削或等磨损原则设计钻头时，冠部形状就应尽

4、可能保证容易实现钻头上的各切削齿的切削量0Ra^t^或磨损量大致均衡的设计原则。周I冠部设计原理示意图·李树盛，副教授，生于1965年，1984年毕业于昆明工学院机械系，1987年和1994年分别获西南石油学院硬士学位和博士学位．1科年至996年在中国地质大学(北京)探矿工程系完成博士后研究工作，现从事钻头和井下工具的研究工作。地址：(102200)~京市昌平县。电话：10)697455~一3217(收稿日期：1997—04—25；謦改穑收到日期：1997—09．08)维普资讯http://www.cqvip.com2石油机械长度为；第颗齿中心在半径畸处，装配角为2，按等磨

5、损原则设计，在冠部曲线上占有的曲线长度为z，；钻头每转根据等磨损原则的要求，钻头表面各个切削齿的磨损速率应相等，而磨损速率与单位曲线长度上进尺为。的正压力F和运动速度成正比。根据图1可得如1．按等切削原则设计根据等切削原则，两颗切削齿的切削量应相下关系等，即R=R，(6)iRjicosT~：cosTj．01)式中F，——第，J两个切削齿上的切削正选取钻头冠顶处的切削齿作参考基准，该处切削齿压力有：7：O，R．=Ro，考虑切削齿沿翼片等问距布根据文献[2]，通过实验得出的切削正压力与切置的常见情形有Z：2，代人式(1)并写成通式为削深度的关系为R0(2)cos：fF=C1(8

6、cos71)r根据式(2)可得出冠部曲线在半径R处的斜【F=C1(8cosTj)“r率为代人式(61得dh(8。y‘)，R：tgy：~／(fro)一1(3)丁i：()孚【7)对式(3)积分即为冠部曲线方程式中n——切削正压力与切削深度关系的实验指数，主要与岩石性质有关。h=l√(R／R0)一1dR+C(4)与前面的过程相同，根据式(7)可得出冠部积分得冠部曲线方程为曲线方程^：一争n(+俩)+c^=I、／(／)一1dR+C(R≥R0)(5)(R≥R0)(8)式中C——积分常数，如设冠顶处h=0，则C式(8)是按等磨损原则设计时的理论冠部曲=(RJ2)lnRo。线方程，一般情

7、况下式(8)无法直接积分，可用式(5)实际上是钻头冠部外锥曲线方程由于计算机数值积分方法求勰并作出曲线。在等磨损原钻头内锥结构变化不大，设计较简单，在此就不再则下理论冠部曲线也近似于抛物线。作讨论。图2所示为02161'~ml钻头在不同外锥高度3．按等功率原则设计日时按等切削原则设计得出的理论冠部曲线形状。等功率设计原则要求冠部表面每个切削齿的切过去一直认为PDC钻头外锥的理论冠部形状应是削功率应相等，而切削功率正比于周向切削力与周抛物线，由圈2可见它们只是近似抛物线的曲线，向运动速度的乘积，采用与上述相同的推导过