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        肯尼亞牙輪鉆頭金剛石復(fù)合牙齒性能測(cè)試分析研究

        2016-11-14 06:26:49莊純才中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院遼寧盤(pán)錦124010
        化工管理 2016年30期

        莊純才(中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院,遼寧 盤(pán)錦 124010)

        肯尼亞牙輪鉆頭金剛石復(fù)合牙齒性能測(cè)試分析研究

        莊純才(中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院,遼寧盤(pán)錦124010)

        金剛石復(fù)合齒是一種由硬質(zhì)合金本體和金剛石復(fù)合層組合燒結(jié)連接而成的一種高強(qiáng)度、高耐磨性切削齒[1]。隨著金剛石復(fù)合齒制造工藝的不斷改進(jìn),其力學(xué)性能和切削學(xué)性能不斷進(jìn)步,目前已在牙輪鉆頭、潛孔錘等鉆探設(shè)備中廣泛應(yīng)用。牙輪鉆頭通過(guò)沖擊-刮切復(fù)合作用破碎井底巖石??夏醽喌?zé)徙@井地層屬中硬地層、高研磨性、高井底溫度,通過(guò)應(yīng)用金剛石復(fù)合齒提高牙輪鉆頭抗研磨性、進(jìn)而大幅延長(zhǎng)牙輪鉆頭的使用壽命,是一種有效的技術(shù)手段。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,從牙齒結(jié)合結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能等方面優(yōu)選高性能金剛石復(fù)合齒,為肯尼亞高效牙輪鉆頭的研發(fā)創(chuàng)造條件。

        肯尼亞;牙輪鉆頭;金剛石復(fù)合牙齒

        1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試目的與方法

        磨損是工程中普遍存在的現(xiàn)象,凡是有相對(duì)摩擦的機(jī)件,必然會(huì)伴有磨損現(xiàn)象。影響摩擦磨損的因素很多,諸如施加壓力、運(yùn)動(dòng)速度、工件表面質(zhì)量、潤(rùn)滑劑及材料性能等等,所以金屬摩擦磨損特性并不是材料固有的,而是工作條件與材料性能的綜合特性。牙輪鉆頭在井底運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜[2],在試驗(yàn)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn),但我們知道牙輪鉆頭工作時(shí),牙齒除了有磨損破壞外,還有沖擊破壞,根據(jù)這點(diǎn)我們可以將其簡(jiǎn)化為自由落體運(yùn)動(dòng)和下試樣的的轉(zhuǎn)動(dòng),這樣不失結(jié)果的參考性,可以達(dá)到試驗(yàn)的目的。牙齒在整個(gè)試驗(yàn)中,由于齒形的不同,產(chǎn)生的沖擊力會(huì)有所不同,同時(shí)受到的摩擦力也會(huì)不同,這都會(huì)直接影響到牙齒的使用壽命,一般來(lái)說(shuō),沖擊力越大時(shí),下試樣磨損得越快,同時(shí)其工作壽命也會(huì)相應(yīng)的減少。

        通過(guò)沖擊疲勞壽命試驗(yàn)來(lái)對(duì)金剛石復(fù)合齒的沖擊疲勞性能及磨損量進(jìn)行比較,對(duì)以后復(fù)合齒的選用提供一定的參考。選用每種齒形的牙齒各取兩顆,對(duì)每顆牙齒的試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),最終都轉(zhuǎn)化為沖擊總功,進(jìn)而來(lái)對(duì)牙齒疲勞壽命進(jìn)行比較。

        硬質(zhì)合金齒緊固于沖錘上,試驗(yàn)時(shí),沖錘提升到一定的高度,然后自由下落,使牙齒反復(fù)沖擊和摩擦下試樣。

        (1)試驗(yàn)參數(shù):沖錘質(zhì)量:30kg;沖擊頻率:60次/秒;沖擊自由落體高度:0~15mm。(如圖1)

        (2)牙齒牙齒為銳特金剛石有限公司和飛瑞金剛石有限公司生產(chǎn)的三種齒形(錐形齒、球形齒、楔形齒)的復(fù)合齒和自貢硬質(zhì)合金工生產(chǎn)的普通硬質(zhì)合金楔形齒。

        (3)試驗(yàn)環(huán)試驗(yàn)環(huán)為高碳鉻軸承鋼淬火回火處理,表面硬度大約為63HRC規(guī)格,粗糙度Ra為3.2。

        2 實(shí)驗(yàn)步驟

        (1)調(diào)整沖錘下端螺桿,使其自由落體高度為10mm,.取下安全栓,使上下試件接觸;

        (2)檢查試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械部分和電氣部分,正常則開(kāi)機(jī)試驗(yàn);

        (3)每次試驗(yàn)時(shí)間為30分鐘,待牙齒冷卻后再進(jìn)行試驗(yàn),直到牙齒出現(xiàn)破壞為止,記錄試驗(yàn)時(shí)間;

        (4)試驗(yàn)完畢后關(guān)閉、清洗試驗(yàn)機(jī)。

        在試驗(yàn)過(guò)程中,有兩點(diǎn)必須特別注意:

        (5)在試驗(yàn)過(guò)程中要注意牙齒的冷卻,以免牙齒溫度過(guò)高而影響最終的試驗(yàn)結(jié)果;

        (6)試驗(yàn)設(shè)備的潤(rùn)滑,以免因?yàn)樵O(shè)備消耗的無(wú)用功不等而影響試驗(yàn)結(jié)果。

        圖1 沖擊磨料磨損試驗(yàn)原理圖

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論

        3.1銳特公司的牙齒疲勞壽命高于飛瑞公司的;

        3.2牙齒的齒形方面,球形齒的疲勞壽命較另外兩種齒形要高。錐形齒的沖擊總功比球形齒將近小一倍,楔形齒則更小,而且比較他們的尺寸發(fā)現(xiàn)錐形齒、楔形齒要更大些,這說(shuō)明了球形齒的疲勞壽命較其他兩種齒形要長(zhǎng)些。原因是在鉆壓一定的情況下,錐形齒、楔形齒作用在試驗(yàn)環(huán)上的集中應(yīng)力比球形齒要大,這樣就會(huì)導(dǎo)致牙齒對(duì)試驗(yàn)環(huán)的沖擊力大,因而錐形齒、楔形齒的疲勞壽命相比之下就會(huì)短很多,磨損量就會(huì)大很多;

        3.3材料方面,普通硬質(zhì)合金牙齒的疲勞壽命要比復(fù)合齒小很多。原因可能跟材料和齒形有關(guān)。這就要求我們?cè)谶x齒的過(guò)程中要綜合考慮這三方面,以實(shí)現(xiàn)牙輪鉆頭的高效工作。

        [1]李宏利,于慶增,王紹麗,方海江《超硬材料工程》2013,25(1):17-18.

        [2]喻開(kāi)安,鄧嶸,馬德坤,楊世良《石油機(jī)械》,1995(4):4-5.

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