pdc鉆頭切削齒受力模擬實驗裝置的研究

實驗裝置的設(shè)計sdc鉆頭齒的張力與鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆孔工藝和鉆頭結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。所鉆地層性質(zhì)多變、鉆井參數(shù)可調(diào)、鉆頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得PDC鉆頭切削齒受力很復(fù)雜。目前,國內(nèi)外已有的PDC鉆頭切削齒受力實驗裝置多為單齒實驗,單齒實驗難以有效模擬切削齒覆蓋和重疊條件下的切削齒受力及磨損規(guī)律,不能反映PDC鉆頭孔底受力的真實狀態(tài),同時單齒實驗每次數(shù)據(jù)獲取量較少,實驗工作量較大。為此,筆者設(shè)計了一種實驗裝置,它可實現(xiàn)鉆頭空間結(jié)構(gòu)各種參數(shù)的組合,有效模擬切削齒覆蓋和重疊條件下的切削齒受力及磨損規(guī)律;同時采用新型數(shù)據(jù)采集裝置和方法,減小實驗工作量,對PDC鉆頭切削齒的受力研究起到一定推動作用。實驗設(shè)備組成設(shè)計的實驗裝置主要由驅(qū)動系統(tǒng)、切削單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元4部分組成,如圖1所示。1.數(shù)控車床設(shè)備實驗裝置驅(qū)動系統(tǒng)采用沈陽第一機(jī)床廠生產(chǎn)的CAK6150B—1390型數(shù)控車床。該車床工作性能穩(wěn)定,控制系統(tǒng)可靠,實際應(yīng)用表明這種數(shù)控車床能精確控制走刀速度。2.布齒密度調(diào)節(jié)方案該實驗裝置切削單元由圓盤、帶有金剛石復(fù)合片切削齒的傳感器以及鎖緊與高度調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成,如圖2所示。(1)冠部形狀調(diào)節(jié)3個相鄰齒的位置由傳感器和輔助齒決定,沿著圓盤軸線方向上下調(diào)節(jié)傳感器和輔助齒的高度H,可實現(xiàn)鉆頭冠部形狀的調(diào)節(jié),如圖3b所示。(2)布齒密度調(diào)節(jié)布齒密度由切削齒之間的距離a決定,如圖4所示,a的大小決定了布齒密度的大小。變量a值由傳感器和輔助齒距離圓盤軸線的距離R決定,調(diào)節(jié)傳感器和切削輔助齒到圓盤軸線的距離可實現(xiàn)布齒密度的調(diào)節(jié)。(3)切削齒切削角度調(diào)節(jié)仰角α在生產(chǎn)鉆頭焊接復(fù)合片時控制,如圖5a所示。復(fù)合片焊接在切削單元的焊接齒柱上,焊接完后切削齒的仰角也就隨之確定。側(cè)轉(zhuǎn)角通過沿傳感器自身軸線方向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn),通過旋轉(zhuǎn)傳感器可得到不同的側(cè)轉(zhuǎn)角β,從而實現(xiàn)模擬鉆頭不同側(cè)轉(zhuǎn)角情況下的受力,如圖5b所示。(4)切削齒中心距調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)傳感器與圓盤軸線之間的距離,可以實現(xiàn)模擬增大或減小切削齒的中心距。切削齒中心距通過數(shù)顯深度尺調(diào)節(jié)。(5)傳感器高度調(diào)節(jié)傳感器軸向高度調(diào)節(jié)同樣通過數(shù)顯深度尺調(diào)節(jié)得到。經(jīng)過調(diào)節(jié)鉆頭的幾何參數(shù)、冠部形狀、布齒密度、切削齒中心半徑、切削齒空間角度,可以實現(xiàn)鉆頭冠部形狀的一段圓弧組合。3.彈性元件的支撐數(shù)據(jù)采集單元采用三軸測力傳感器。(1)傳感器的性能傳感器能相互獨(dú)立測量相互垂直的3個力,具有較小的尺寸,較高的靈敏度和足夠的量程,具有恒定的標(biāo)定系數(shù),良好的密封性和抗干擾能力。(2)傳感器結(jié)構(gòu)傳感器的結(jié)構(gòu)主要由外保護(hù)套和彈性元件兩部分組成。外保護(hù)套起支撐、保護(hù)彈性元件的作用,同時又起密封、屏蔽作用;彈性元件上貼有應(yīng)變片,起到感受切削過程中產(chǎn)生應(yīng)變數(shù)值的作用。(3)傳感器布片方式測量切削力及側(cè)向力部分:在兩相互垂直的方向上對稱地布8片,應(yīng)變片方向均平行于軸線方向。如圖6中A、A′、B、B′、E、E′、F、F′。測量軸向力部分:在同一圓周上布4片,其中2片平行于軸線對稱位置;另2片垂直于軸線方向?qū)ΨQ位置,如圖6中的C、C′、D、D′所示。(4)組橋方式傳感器共貼12片應(yīng)變片,組成3個全橋,分別測量切削力、軸向力和側(cè)向力。切削力、側(cè)向力測量橋如圖7a所示;軸向力測量橋如圖7b所示。采用全橋方式能實現(xiàn)溫度補(bǔ)償和增大電橋輸出信號。軸向力測量橋消除了彎矩的影響,對于偏心的軸向力也能準(zhǔn)確測出。切削力和側(cè)向力測量橋則消除了軸向力的影響,并且電橋的輸出信號只與切削力或側(cè)向力大小有關(guān),而與力臂長短無關(guān),即該橋具有恒定的標(biāo)定系數(shù)。4.數(shù)據(jù)處理實驗數(shù)據(jù)采集單元后的數(shù)據(jù)處理單元需要的計算機(jī)程序由Delphi語言開發(fā),程序編寫思想和流程如圖8所示。鋸齒疲勞試驗方法1.鉆頭切削齒的切削(1)實驗前先把巖樣固定在車床的卡盤上,調(diào)節(jié)切削單元的可變參數(shù),使調(diào)節(jié)后的各參數(shù)滿足實驗要求,然后將切削單元固定在車床的刀架上。(2)將傳感器接線接到信號放大器上,并且通過端子板與計算機(jī)相連,啟動計算機(jī)和信號放大器的工作電源使之正常工作。鉆頭切削齒切削巖石時受到的力由傳感器傳入到信號放大器(由于原始信號較小,須經(jīng)過放大處理),信號經(jīng)過放大以后經(jīng)儀器盒里的端子板傳送到數(shù)據(jù)采集板中,后傳入到計算機(jī)里。最后計算機(jī)經(jīng)過運(yùn)行所編寫的程序采集到切削齒的受力數(shù)據(jù),進(jìn)行分析、處理。2.實驗裝置的完善針對PDC鉆頭適用于軟至中硬均質(zhì)地層的特點(diǎn),筆者實驗的主要目的是驗證設(shè)計加工的切削齒受力實驗裝置的可靠性和初步探討PDC切削齒受力規(guī)律。實驗采用電極石墨作為實驗巖樣。3.車床鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的采集實驗步驟改變某一變量而固定其他變量實驗。逐個變量實驗完成后,對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出切削齒受力的基本規(guī)律。具體步驟如下:(1)選取某一鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)作為變量,按設(shè)計要求調(diào)節(jié)鉆頭其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。(2)取1種巖樣夾持在車床上,按設(shè)計選取轉(zhuǎn)速和走刀速度,采集實驗數(shù)據(jù)。(3)變換巖樣,重復(fù)步驟(2)。(4)3種巖樣全部完成后,返回到步驟(1)變換鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù),直至實驗完成。(5)處理實驗數(shù)據(jù)。試驗設(shè)備的可靠性實驗是在CAK6150B—1390型數(shù)控車床上進(jìn)行的,巖樣采用電極石墨。1.實驗數(shù)據(jù)的顯示吃入量為5、8、13mm/min;車床轉(zhuǎn)速:40r/min;側(cè)轉(zhuǎn)角:0°。不同吃入量時的實驗曲線如圖9所示。從實驗數(shù)據(jù)變化曲線峰值可以看出:隨著切削齒吃入量的增加,鉆壓、切削力增大,吃入量越大,鉆壓和切削力越大,側(cè)向力幾乎不變化。采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)和顯示的各力變化曲線與實際相符。圖中的峰值從左到右依次對應(yīng)的切削齒吃入量為5、8、13mm/min。2.叉車轉(zhuǎn)速切削齒中心半徑為60.34、63.10、65.85mm;車床轉(zhuǎn)速為12r/min;側(cè)轉(zhuǎn)角0°;吃入量為1mm/r。切削齒受力變化曲線如圖10所示。3.鉆頭切削齒受力分析切削齒中心半徑為76.41、78.90、81.30mm;車床轉(zhuǎn)速為12r/min;側(cè)轉(zhuǎn)角0°;吃入量為2mm/r。切削齒受力變化曲線如圖11所示。圖10與圖11表明,隨著鉆頭切削齒吃入量的不同其受到的力也不同,吃入量越大切削齒受到的力越大。在調(diào)節(jié)過程中由于產(chǎn)生了一定的角度,實驗過程中產(chǎn)生了側(cè)向力,數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢與實際的相符。受拉著石結(jié)構(gòu)的模擬(1)由巖樣切削實驗所得到的實驗數(shù)據(jù)可知:切削齒不同的吃入量所受到的力不同,吃入量越大,切削齒受到的力越大;PDC鉆頭切削齒受力隨著其中心半徑的增大而增大,在鉆頭的肩部受到的力最大。(2)設(shè)計、加工完成的模擬PDC鉆頭