pdc钻头切削齿受力模拟实验装置的研究

pdc钻头切削齿受力模拟实验装置的研究

实验装置的设计sdc钻头齿的张力与钻头结构、钻孔工艺和钻头结构密切相关。所钻地层性质多变、钻井参数可调、钻头结构复杂,使得PDC钻头切削齿受力很复杂。目前,国内外已有的PDC钻头切削齿受力实验装置多为单齿实验,单齿实验难以有效模拟切削齿覆盖和重叠条件下的切削齿受力及磨损规律,不能反映PDC钻头孔底受力的真实状态,同时单齿实验每次数据获取量较少,实验工作量较大。为此,笔者设计了一种实验装置,它可实现钻头空间结构各种参数的组合,有效模拟切削齿覆盖和重叠条件下的切削齿受力及磨损规律;同时采用新型数据采集装置和方法,减小实验工作量,对PDC钻头切削齿的受力研究起到一定推动作用。实验设备组成设计的实验装置主要由驱动系统、切削单元、数据采集单元、数据处理单元4部分组成,如图1所示。1.数控车床设备实验装置驱动系统采用沈阳第一机床厂生产的CAK6150B—1390型数控车床。该车床工作性能稳定,控制系统可靠,实际应用表明这种数控车床能精确控制走刀速度。2.布齿密度调节方案该实验装置切削单元由圆盘、带有金刚石复合片切削齿的传感器以及锁紧与高度调节装置构成,如图2所示。(1)冠部形状调节3个相邻齿的位置由传感器和辅助齿决定,沿着圆盘轴线方向上下调节传感器和辅助齿的高度H,可实现钻头冠部形状的调节,如图3b所示。(2)布齿密度调节布齿密度由切削齿之间的距离a决定,如图4所示,a的大小决定了布齿密度的大小。变量a值由传感器和辅助齿距离圆盘轴线的距离R决定,调节传感器和切削辅助齿到圆盘轴线的距离可实现布齿密度的调节。(3)切削齿切削角度调节仰角α在生产钻头焊接复合片时控制,如图5a所示。复合片焊接在切削单元的焊接齿柱上,焊接完后切削齿的仰角也就随之确定。侧转角通过沿传感器自身轴线方向旋转实现,通过旋转传感器可得到不同的侧转角β,从而实现模拟钻头不同侧转角情况下的受力,如图5b所示。(4)切削齿中心距调节调节传感器与圆盘轴线之间的距离,可以实现模拟增大或减小切削齿的中心距。切削齿中心距通过数显深度尺调节。(5)传感器高度调节传感器轴向高度调节同样通过数显深度尺调节得到。经过调节钻头的几何参数、冠部形状、布齿密度、切削齿中心半径、切削齿空间角度,可以实现钻头冠部形状的一段圆弧组合。3.弹性元件的支撑数据采集单元采用三轴测力传感器。(1)传感器的性能传感器能相互独立测量相互垂直的3个力,具有较小的尺寸,较高的灵敏度和足够的量程,具有恒定的标定系数,良好的密封性和抗干扰能力。(2)传感器结构传感器的结构主要由外保护套和弹性元件两部分组成。外保护套起支撑、保护弹性元件的作用,同时又起密封、屏蔽作用;弹性元件上贴有应变片,起到感受切削过程中产生应变数值的作用。(3)传感器布片方式测量切削力及侧向力部分:在两相互垂直的方向上对称地布8片,应变片方向均平行于轴线方向。如图6中A、A′、B、B′、E、E′、F、F′。测量轴向力部分:在同一圆周上布4片,其中2片平行于轴线对称位置;另2片垂直于轴线方向对称位置,如图6中的C、C′、D、D′所示。(4)组桥方式传感器共贴12片应变片,组成3个全桥,分别测量切削力、轴向力和侧向力。切削力、侧向力测量桥如图7a所示;轴向力测量桥如图7b所示。采用全桥方式能实现温度补偿和增大电桥输出信号。轴向力测量桥消除了弯矩的影响,对于偏心的轴向力也能准确测出。切削力和侧向力测量桥则消除了轴向力的影响,并且电桥的输出信号只与切削力或侧向力大小有关,而与力臂长短无关,即该桥具有恒定的标定系数。4.数据处理实验数据采集单元后的数据处理单元需要的计算机程序由Delphi语言开发,程序编写思想和流程如图8所示。锯齿疲劳试验方法1.钻头切削齿的切削(1)实验前先把岩样固定在车床的卡盘上,调节切削单元的可变参数,使调节后的各参数满足实验要求,然后将切削单元固定在车床的刀架上。(2)将传感器接线接到信号放大器上,并且通过端子板与计算机相连,启动计算机和信号放大器的工作电源使之正常工作。钻头切削齿切削岩石时受到的力由传感器传入到信号放大器(由于原始信号较小,须经过放大处理),信号经过放大以后经仪器盒里的端子板传送到数据采集板中,后传入到计算机里。最后计算机经过运行所编写的程序采集到切削齿的受力数据,进行分析、处理。2.实验装置的完善针对PDC钻头适用于软至中硬均质地层的特点,笔者实验的主要目的是验证设计加工的切削齿受力实验装置的可靠性和初步探讨PDC切削齿受力规律。实验采用电极石墨作为实验岩样。3.车床钻头结构参数的采集实验步骤改变某一变量而固定其他变量实验。逐个变量实验完成后,对数据进行处理,得出切削齿受力的基本规律。具体步骤如下:(1)选取某一钻头结构参数作为变量,按设计要求调节钻头其他结构参数。(2)取1种岩样夹持在车床上,按设计选取转速和走刀速度,采集实验数据。(3)变换岩样,重复步骤(2)。(4)3种岩样全部完成后,返回到步骤(1)变换钻头结构参数,直至实验完成。(5)处理实验数据。试验设备的可靠性实验是在CAK6150B—1390型数控车床上进行的,岩样采用电极石墨。1.实验数据的显示吃入量为5、8、13mm/min;车床转速:40r/min;侧转角:0°。不同吃入量时的实验曲线如图9所示。从实验数据变化曲线峰值可以看出:随着切削齿吃入量的增加,钻压、切削力增大,吃入量越大,钻压和切削力越大,侧向力几乎不变化。采集系统采集到的数据和显示的各力变化曲线与实际相符。图中的峰值从左到右依次对应的切削齿吃入量为5、8、13mm/min。2.叉车转速切削齿中心半径为60.34、63.10、65.85mm;车床转速为12r/min;侧转角0°;吃入量为1mm/r。切削齿受力变化曲线如图10所示。3.钻头切削齿受力分析切削齿中心半径为76.41、78.90、81.30mm;车床转速为12r/min;侧转角0°;吃入量为2mm/r。切削齿受力变化曲线如图11所示。图10与图11表明,随着钻头切削齿吃入量的不同其受到的力也不同,吃入量越大切削齿受到的力越大。在调节过程中由于产生了一定的角度,实验过程中产生了侧向力,数据曲线的变化趋势与实际的相符。受拉着石结构的模拟(1)由岩样切削实验所得到的实验数据可知:切削齿不同的吃入量所受到的力不同,吃入量越大,切削齿受到的力越大;PDC钻头切削齿受力随着其中心半径的增大而增大,在钻头的肩部受到的力最大。(2)设计、加工完成的模拟PDC钻头