牙轮钻头镶齿结合面应力分析的边界元法

应用二维弹性问题边界元法的基本理论，对过盈配合结合面间的应力状态进行了分析，用分块子矩阵的形式推导出相应的系统方程。以牙轮钻头镶齿过盈配合结合面间的应力状态分析为实例，编制了相应的过盈配合通用计算程序。计算结果表明，应用边界元法得到的牙轮钻头镶齿和孔之间的应力和位移的数值解与弹性力学的解析解相当接近。     

镶齿牙轮钻头牙齿失效特征分析

主要论述镶齿牙轮钻头在工作中因受井下复杂载荷的影响产生牙齿脱落、磨损、断裂、破裂和剥落失效的特征和原因,根据各种失效原因从设计、加工和使用等方面提出若干措施,以延长牙齿的使用寿命。     

钢齿牙轮钻头齿面强化材料及强化工艺进展

综述了国内外钢齿牙轮钻头齿面强化材料以及强化工艺的研究现状。简要分析了各发展阶段齿面强化材料以及强化工艺的主要特点和存在的主要问题 ,国内外多以金刚石作为牙轮钻头强化材料 ,比较成熟的技术是制造金刚石的PDC复合片 ,采用钎焊或机械装配的方法实现钻头的齿面强化。目前研究较多的是应用电镀或化学镀工艺在钢齿牙轮钻头齿面镀覆一层金刚石 ,以其高耐磨性达到钻头的齿面强化。     

计算镶齿三牙轮钻头直径的解析法

在设计镶齿三牙轮钻头时,其直径尺寸计算的精确程度是检验产品直径尺寸是否合格的依据。根据以往采用作图法和近似计算法存在的计算误差(误差大小因人而异),致使制造镶齿三牙轮钻头时,产品的直径尺寸不易控制。现在采用了解析几何法较好地解决了钻头直径精确计算难题。设计实践表明,采用此法计算钻头直径是精确无误的,有效地提高了钻头的设计效率。     

牙轮钻头滑动轴承磨损的计算机仿真

在美国Ｍａｒｓｈｅｋ和Ｃｈｅｎ提出的理论基础上，详细分析了牙轮钻头滑动轴承在不对中情况下与牙轮接触的情形，并采用新的确定两体接触区域的方法，在考虑而体之间摩擦的情况下推导了轴承间隙的一般表达式。通过计算机上运行所编制的仿真模型可以得到任意时刻轴承系统的工作状态、轴承副各部位的接触应力和线性磨损量。用该仿真模型可预测轴承系统寿命和改进轴承结构参数，从而可提高轴承系统的使用寿命。     

PDC钻头切割齿磨损分析及改进建议

指出PDC钻头切削磨损包括:崩齿、掉片、金刚石层脱落及齿柱冲蚀等。因此,提出PDC钻头应改进切削结构、完善制造工艺、规范操作规程,旨在提高PDC钻头的切削功能,延长其使用寿命,减少钻井成本。     

新型非密封滑动轴承牙轮钻头的试验研究

密封滑动轴承牙轮钻头的密封圈工作条件恶劣,极易损坏;密封圈占据了轴颈的一部分空间,使钻头承载能力减小,这些都降低了钻头的使用寿命。通过滑动轴承失效原因的分析,提出非密封滑动轴承牙轮钻头的轴承表面应采用硬度大、热稳定性好的材料,轴承摩擦副应采用硬-硬配对方式。经过对WC-Co类硬质合金材料力学性能和摩擦学性能分析,用新的轴承结构解决了硬质合金脆性问题,并研制出新型非密封硬质合金滑动轴承牙轮钻头。室内试验表明,硬质合金摩擦副具有良好的抗磨粒磨损能力,可用于牙轮钻头非密封滑动轴承的滑动表面。现场初步试验证明,新型非密封硬质合金滑动轴承牙轮钻头具有良好的应用前景,是发展高速滑动轴承牙轮钻头和小尺寸滑动轴承牙轮钻头的有效途径。     

单牙轮钻头齿面结构设计探讨

在地层、钻井参数和钻头新度相同的情况下，钻头机械钻速的快慢主要取决于钻头齿面结构是否合理。欲设计合理的齿面结构必须研究齿面的几何形状、运动状态、受力状态和岩石破碎过程。从研究单牙轮钻头几何学、运动学入手，着重探讨单牙轮钻头齿面结构设计方法。     

单牙轮钻头在齿面工作分析

根据单牙轮钻头的运动规律，首次提出了单牙轮钻头布齿面上存在牙齿与井底的永远接触区、轮换接触区和永不接触区，并从理论上对此三者作了准确的划分。在此基础上分别研究了各区牙齿在井底的工作区域，并讨论了单牙轮钻头的保径问题，提出了一级和二级保径方案。     

新型高速牙轮钻头滑动轴承的试验研究

为了研制出能与动力钻具相匹配的牙轮钻头，作者从钻头轴承的材料选择入手，对硬质合金滑动轴承进行了分析，认为硬质合金的磨损抗力高，可应用于井下工具。在此基础上，进行了全尺寸牙轮钻头硬质合金滑动轴承的室内试验研究，结果表明：使用硬质合金滑动轴承可使牙轮钻头转速提高到２００～４００ｒ／ｍｉｎ。     

三牙轮钻头牙爪应力分析

用有限元法对某型三牙轮钻头的２号牙轮－牙爪进行了静力计算，求得不同轴承间隙时牙爪轴颈及止推面上的接触应力分布规律。大轴颈上接触面法向应为沿轴线分布不均匀，靠近根部应力最大，沿轴颈轴线方向逐渐减小，但在卡簧槽边处又升高；小轴颈上应力比大轴颈小。在钻压加扭矩共同作用下，牙爪轴颈和止推面上的压应力分布不对称，接触区域发生偏移，止推面上接触区偏移较多。轴承间隙对轴颈应力的影响大于对止推面应力的影响。     

行星架轴孔过盈配合面微动磨损研究

针对某行星架轴孔过盈配合面连接处的微动磨损现象,基于Archard理论磨损计算模型,结合有限元技术,提出了适用于行星架轴孔过盈配合面的离散化深度磨损修正计算方法。研究结果表明:非线性变化几何形状表面的离散化误差对过盈面微动磨损问题的有限元计算精度影响较大;过盈面周向上接触状态以粘着区为主,轴向上以混合区为主,微动磨损危险位置出现在行星架轴孔过盈面接触边缘的混合区域;当网格数量为500时,既能保证一定的收敛速度,又能保证计算精度;过盈配合面的磨损以轴向为主,危险位置出现在行星架轴孔内侧的接触边缘,当摩擦因数在0.1～0.3区间时,周向的微动磨损对于接触表面的摩擦因数并不敏感,增大摩擦因数可以改变轴向上的接触状态,从而减小轴孔过盈面的微动磨损。所得结论可为相关研究提供一定的借鉴。     

鄂尔多斯盆地南梁油田西区PDC钻头切削齿磨损分析及应用研究

统计、对比分析了两邻井同一井段PDC钻头使用情况,切削齿磨损情况以及磨损原因,认为弯螺杆复合钻进诱发的并底涡动是导致切削齿磨损不均、微小金刚石颗粒崩落、磨损面拉断裂纹发育的根本原因,严重影响了钻头寿命,并从提高该区块定向井两趟钻比例、单只钻头进尺的角度给出了钻头优化、制造和使用等方面的建议.研究表明,通过外锥后排辅助齿抵抗冲击应力、控制吃入深度是减少磨损的有效方法.     

牙轮钻头滚动轴承接触问题理论研究

利用弹性体三维有限长非接触问题的数值计算方法，对牙轮钻头滚动轴承的接触问题进行了理论研究。对某型ＸＭＰ牙轮钻头大端滚子轴承的计算结果表明，直母线滚子与轴颈滚道接触时两端所产生的接触压力奇异分布，其值趋于无穷大，是轴承早期疲劳失效的主要原因。因此，为提高钻头轴承的使用寿命，必须对滚子进行凸度设计。     

PDC钻头在砾岩层中的磨损规律研究

针对PDC钻头在钻进致密砾岩层中磨损严重的问题,建立了双切削齿PDC钻头简化模型,采用Archard磨损模型并通过有限元软件对PDC钻头切削齿的破岩过程进行模拟,研究了PDC钻头切削齿的后倾角、温度、线速度和钻压对切削齿磨损量的影响规律。研究结果表明:切削齿磨损量在后倾角为15°～20°之间时增长速度平缓,在20°时达到最大值;切削齿磨损量在温度达到300℃后增长速度迅速加快;线速度和钻压与钻头切削齿的磨损量成正比关系。最后采用正交试验法进行敏感度分析,发现对钻头磨损量影响程度由大到小依次为线速度、切削齿后倾角、温度和钻压。该研究对PDC钻头在砾岩层中钻进时合理调节钻井参数以及延长钻头使用寿命具有一定的指导意义。     

三牙轮钻头内流场数值研究及损坏原因分析

采用时均N—S方程和标准κ-ε紊流模型，在贴体坐系中对三牙轮钻头内流场进行了数值研究。通过大量的数值试验，其结果表明：现有三牙轮钻头的内流道结构是不合理的，主要表现在内流道诱发“过流断面突变效应”，严重地导致了三牙轮钻头内流道的空蚀破坏。     

牙轮钻头牙齿镶装工艺有限元研究

牙轮钻头在破岩过程中容易因掉齿而导致钻头失效.为了减少钻头失效行为的发生,延长钻头的使用寿命,基于弹性力学理论及有限元仿真软件ABAQUS,对牙齿与齿孔过盈配合过程进行了理论分析与仿真结果对比,验证了镶齿有限元计算方法的准确性与可靠性;考虑不同齿圈牙齿镶装顺序对牙轮壳体强度和变形的影响,设计了多组试验方案进行仿真模拟,...     

牙轮钻头牙齿受力研究

系统分析了牙轮钻头破岩过程中的受力和运动状态,给出牙轮钻头在运动过程中牙齿是否触底的判据后,研究了触底牙齿与井底岩石之间的作用规律。     

三牙轮钻头数字化钻进仿真评价系统开发及应用

钻头数字化钻进仿真是一种将钻头-岩石互作用仿真理论与钻头性能评价及结构优化相结合的实用化技术,开发钻头钻进仿真软件的主要目的是为钻头设计及性能分析提供技术手段。在已完成的三牙轮钻头仿真模型研究基础上,重点解决了数据输入、模型数值算法实现、仿真结果可视化等问题,利用MATLAB完成了软件开发。开发的软件能够模拟钻头几何结构,分析理想状态下钻齿的运动特性,模拟钻头在直井、水平井和定向井不同工况下的钻进过程,并对钻头破岩过程中的相关物理参数进行分析评价。利用该软件对某型号三牙轮钻头进行了台架试验及布齿结构参数优化设计,仿真结果具有直观及定量化的特点,表明利用该软件对钻头进行优化设计方便、快捷且可靠性高。      

三牙轮钻头传动比的测试实验及分析

用两种不同类型的三牙轮钻头在不同钻压和转速的条件下对两种不同性质的岩石钻进，测试各牙轮的传动比。发现各牙轮的传动比总是稳定在某一系列数值或在其间发生“阶跃”波动。经分析得出，牙轮钻头的传动比主要取决于各牙轮上某一齿圈并与井底模式有必然的联系，钻头转速对传动比基本上不发生影响，而钻压与岩石性质对传动比有一定的影响；铣齿钻头中各牙轮的相互影响较突出，镶齿钻头中各牙轮的相互影响不明显。