牙輪鉆頭硬質(zhì)合金齒的有限元分析

1、牙輪鉆頭硬質(zhì)合金齒的有限元分析作者：江鉆股份有限公司 涂關(guān)富硬質(zhì)合金齒是牙輪鉆頭破巖的主要元件，也是決定合牙輪鉆頭鉆速的主要影響因素。在牙輪鉆頭使用的過程中，硬質(zhì)合金齒的損壞是鉆頭主要的失效原因。為此，我們必須提高牙齒的破巖效率，延長硬質(zhì)合金齒的壽命。為了達到這個目的，我們可以從材料和結(jié)構(gòu)兩方面改進。對于如何改善硬質(zhì)合金齒的結(jié)構(gòu)，提高破巖效率，必須考慮其受力情況。這里，我們用abaqus軟件來對不同硬質(zhì)合金齒在同樣的受力情況下進行分析，得出牙齒內(nèi)部的變形和受力，為改進牙齒齒型提供了理論依據(jù)。 1、前言 在鉆井過程中，牙輪鉆頭的壽命主要取決于硬質(zhì)合金齒的壽命，如何提高硬質(zhì)合金齒的壽命，也正是我們

2、項目開展的目的，我們的研究主要是從齒的結(jié)構(gòu)入手的。如何改善硬質(zhì)合金齒的形狀，提高破巖效率，得從硬質(zhì)合金齒的受力分析開始。由于硬質(zhì)合金齒齒形和受力的復(fù)雜性，用有限元法來分析硬質(zhì)合金齒的內(nèi)力情況是比較有效的。本文用有限元分析軟件abaqus對三種不同硬質(zhì)合金齒進行了有限元分析。 2、力學(xué)模型 在牙齒工作過程中，牙齒與井底接觸時的受力情況比較復(fù)雜，牙齒隨牙輪旋轉(zhuǎn)，逐漸吃入巖石，刮削巖石，牙齒和巖石面的接觸位置沿牙齒周向不斷改變，牙齒接觸面也不斷改變，接觸載荷也不斷隨之變化，所以載荷分布于牙齒齒頂面和牙齒的刮切面。為了便于分析，我們只取了最簡單的正面受壓的情況分析。 2.1硬質(zhì)合金齒空間的有限元模型

3、硬質(zhì)合金齒的幾何模型及其中一個的有限元模型： 其中圖（1）為i齒，圖（2）為ii齒，圖（3）是iii齒。圖（4）是iii齒的有限元模型,采用四面體單元劃分的網(wǎng)格。另外兩種的有限元模型與圖（4）類似。 2.2位移邊界條件 硬質(zhì)合金齒的底面固定約束，鑲?cè)胙垒嗴w內(nèi)的硬質(zhì)合金齒周面周向約束，允許有軸向位移。 2.3牙齒物理力學(xué)特性 牙齒材料是wc硬質(zhì)合金，彈性模量6.4e5mpa，泊松比0.22，抗拉強度1.12e3mpa，抗壓強度5.46e3mpa，抗壓強度是抗拉強度的4.875倍。 3、結(jié)果分析 3.1加載工況 在各個硬質(zhì)合金齒齒頂部分加10kn的載荷。加載圖形如圖（5）： 3.2在正面加10kn時硬質(zhì)合金齒最大應(yīng)力變化的情況 從上表可以知道，在頂部受壓的情況下，i齒、ii齒、iii齒的壓/ 拉均大于4.875，故在這種工況下均以壓應(yīng)力破壞形式為主。 3.3破壞方式 由于i齒、ii齒、iii齒是以壓應(yīng)力破壞形式為主的 ，所以其破壞方式應(yīng)以主應(yīng)力3產(chǎn)生的破壞方式為主。破壞趨勢如圖（6）、圖（7）、圖（8）：趨勢為abc 4、結(jié)論 從上面的分析可以得出以下結(jié)論： 1、iii在頂部加同樣的載荷時，iii的極限載荷最大。i齒與ii齒極限載荷