童华等．空气钻井潜孔钻头本体与钻齿的过盈分析．钻采工艺，，35(1)：64—65，98
摘要：潜孔钻头是空气钻井中一种重要的破岩工具，钻齿镶嵌过程中的过盈量直接影响钻齿与钻头本体的接触强度。文章以．1mm潜孔钻头用O19mm钻齿为研究对象，建立了钻头本体与钻齿过盈配合的力学模型，并进行计算机模拟仿真。通过对过盈量分别为0．01、0．02、0．04、0．06、0．07、0．08、0．09、0．1film时钻齿与钻头本体的接触分析可知，过盈量小于等于0．07ram时，钻头本体均为弹性变形；当过盈量为0．08mm时，钻头本体接触区域局部开始发生塑性变形；当过盈量达到0．1mm时，钻头本体沿齿眼的应力值接近材料的强度极限。根据分析结果并考虑塑形强化的影响，推荐．1mm潜孔钻头mm钻齿的安装过盈量为0．07—0．08ram。论文的研究工作为空气钻头钻齿的科学装配提供了理论依据。关键词：空气钻井；潜孔钻头；钻齿；过盈分析；有限元中图分类号：TE．1文献标识码：ADOI：10．／J．ISSN．—X．．01．19 空气钻井技术以其可大幅度提高钻井效率、降低钻井成本和适应硬岩地层的优势在目前的钻井作业中得到应用。空气锤潜孔钻头是空气钻井的一种重要的破岩工具，而在钻井过程中，掉齿现象严重影响潜孔钻头的工作性能和使用寿命。钻齿镶嵌过程中的过盈量直接影响钻齿与钻头本体的接触强度，如果过盈量过大会使得钻齿安装比较困难且可能超过其强度极限，使得安装不稳定；若过盈量过小，钻齿与钻头本体的接触强度不足，钻头工作时钻齿易脱落。本文应用有限元分析软件，建立了．1mm潜孔钻头用O19mm钻齿及其本体的装配模型，对钻齿进入钻头本体时的应力和齿孔壁位移进行深入分析，以期为空气锤潜孔钻头本体与钻齿过盈量的设计提供理论依据。一、有限元模型建立1．模型建立钻齿在进入钻头本体孔眼过程中，孔眼附近受到挤压产生的应力比较大，远离孔眼处的应力很小。根据圣维南原理，将问题简化为图1所示模型装配模型具有轴对称性，进一步将其简化为二维问题，在不影响工程精度要求的前提下可节省计算量，模型如图2所示。
2．基本参数 钻齿采用硬质合金材料，弹性模量E=6．4×10MPa，泊松比=0．22，抗压强度为MPa；钻头本体材料20Ni4Mo，弹性模量E=2．1×10MPa，泊松比=0．3，弹性极限为MPa，抗压强度为MPa，摩擦系数0．2。钻齿半径r=9．5ram，孔深CF=19．4ram。过盈量计算区问：0．01～0．10ram。二、模拟分析在模拟过程中，钻齿沿轴向逐渐进入钻头本体内，先是BD上的某一点与C点接触，然后稳定地形成钻齿与本体的之间的过盈配合，直至钻齿与本体孔底部面接触，钻齿停止运动。
1．本体应力分析 图3为钻齿完全进入本体时钻头本体的应力云图(过盈量分别为：0．06、0．08、0．1mm)；图4为以不同过盈量将钻齿全部压人本体时，沿齿孔路径钻头本体的应力曲线。结合图3、图4可知，钻头本体上的应力值随过盈量增加而增大；最大应力值均出现在齿孔底部与钻齿地面倒角相接触部位；过盈量小于等于0．07mm时，钻头本体均为弹性变形；当过盈量达到0．08mm时，钻头本体开始发生塑性变形，由于塑性变形的影响，使得本体与钻齿倒角接触处之前的一段应力值较小；过盈量达到0．1mm时，齿孔壁应力值接近材料的塑性极限。过盈量在0．08—0．1mm之问时，出现弹塑性共存的现象。2．齿子L位移 图5为钻齿完全进入本体时，齿孔壁产生变形的位移量。齿孔壁的位移量随着过盈量的增加而增大；随过盈量的增加，齿孔顶部的变形比较大，齿孔底部与钻齿倒角尖角接触的部位变形量并未明显增大；过盈量越大，过盈量与齿孔变形量的差值越大，钻齿与本体的结合强度增大。3．钻齿表面应力 图6为钻齿全部进入本体时，钻齿表面应力值沿BDE方向变化的曲线。从图6可以看出，总体上钻齿表面的应力值随着过盈量的增加而增大；在各过盈量下，钻齿的应力峰值均出现在倒角的尖角处，次峰值出现在钻齿与齿孔顶部接触处。三、结论 通过对空气钻井潜孔钻头与钻头本体与钻齿的过盈分析，得出了不同过盈量尺寸下钻齿和钻头本体的应力值，并对其进行比较，得出如下结论：钻头本体表面的应力值随着过盈量的增加而增大；过盈量在0．10mm时，钻头本体应力值接近其强度极限，部分部位已出现微小裂纹；当过盈量达到0．08mlTl时，钻头本体既存在弹性变形又存在轻微的塑性变形；当过盈量为0．07mlTl时，钻头本体完全处于弹性阶段；考虑塑形强化的影响，推荐．1mill潜孔钻头ram钻齿的安装过盈量为0．07～0．08mm。参考文献[1]练章华，陈小榆，邓茂云．钻头钻齿过盈配合计算机仿真模拟实验研究[J]．石油机械，，35(4)：6—9．[2]吴欣袁，练章华，张袁辉，等．球面整形器硬质合金齿过盈配合有限元分析[J]．石油机械，，37(7)：31．[3]伍开松，马德坤．牙轮钻头滑动轴承材料的力学性能试验[J]．机械工程材料，，27(11)：7—9．“黑金刚”简介： 长沙黑金刚实业有限公司成立于年4月30日，位于雷锋故乡长沙望城，占地平方米，生产厂房平方米，员工多人。拥有生产凿岩机械与风动工具用的加工、研发、检测设备等近千台套，是中国专业从事凿岩机械和风动工具研究与制造的著名民营企业。 公司拥有丰富的科研与生产经验，采用最优质的原材料、先进的生产工艺和严密的检测手段，生产出性能优良、质量过硬的产品。“黑金刚”牌钻具由于质量稳定、性能优良而畅销全国，并批量出口到南非、巴西、法国、澳大利亚、加拿大、马来西亚、韩国等50多个国家，深受用户好评。—传真：—邮箱：hjgdrill.