莊純才（中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧　盤錦　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（中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦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)而大幅延長牙輪鉆頭的使用壽命，是一種有效的技術(shù)手段。通過室內(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，一般來說，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。

通過沖擊疲勞壽命試驗(yàn)來對(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)過程中，有兩點(diǎn)必須特別注意：

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

（6）試驗(yàn)設(shè)備的潤滑，以免因?yàn)樵O(shè)備消耗的無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，這說明了球形齒的疲勞壽命較其他兩種齒形要長些。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］喻開安，鄧嶸，馬德坤，楊世良《石油機(jī)械》，1995（4）:4-5.