基于的硬质合金齿强度分析

0 引言

石油勘探开发难度不断增加，牙轮钻头为适应钻井环境与钻井工况，对硬质合金齿结构提出了更高的要求。硬质合金齿作为牙轮钻头破碎岩石的重要组成部分，也是影响牙轮钻头钻速的重要因素[1]。在牙轮钻头工作过程中，硬质合金齿的损坏是钻头失效的主要原因之一。如何通过研究牙轮钻头硬质合金齿的结构强度，使其在高钻压下的使用寿命延长，是目前需要解决的问题之一。

随着国内勘探力度不断加大，钻井深度不断提高，需要更多的小尺寸三牙轮钻头，要求能适应高钻压、高转速。但小尺寸三牙轮钻头布齿空间极其有限，硬质合金齿尺寸相对较小，为了提高钻速，在高钻压、高转速下常常发生牙齿松动、断裂、脱落[2-3]。因此，进行小尺寸三牙轮钻头硬质合金齿结构强度分析，对提高牙轮钻头使用性能具有一定意义。

1 牙轮钻头硬质合金齿受力特点分析

牙轮钻头硬质合金齿结构对牙轮钻头机械钻速和寿命有较大影响，它们最终确定钻头影响钻井成本的程度。牙轮钻头正在钻进时，牙齿作用到岩石上的力，既有静载荷（加在钻头上的钻压），又有动载荷（钻头与下部钻柱速度下降而产生的动载）。而牙齿冲击破碎岩石时，静载荷与动载荷之和基本上等于钻头受到岩石的反作用力。钻进时钻头在井底产生纵振，使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期的弹性变形能通过钻头传递给牙齿，使钻头破碎岩石时牙齿产生冲击压力[4-6]。

牙轮钻头硬质合金齿的齿顶宽度均明显小于下部镶固部分的直径，从而对岩石形成较尖锐的冲击头部。硬质合金齿在实际的破岩过程中，齿尖在钻压的作用下冲击、压碎岩石，在钻头转速的作用下刮切岩石[7]。由于硬质合金齿受的动载大，且齿的尺寸相对较小，所以容易发生硬质合金齿的整体或局部断裂，如图1所示。

图1 牙轮钻头牙齿断裂图

2 牙轮钻头牙齿有限元模型建立

2.1 几何模型

本文以实际生产的牙轮钻头硬质合金齿为研究对象，使用Pro/E软件建立牙轮钻头3种楔形硬质合金齿的有限元模型，如图2所示。

图2 3种楔形硬质合金齿有限元模型

2.2 材料参数

如表1所示，牙轮钻头牙齿为YG15C硬质合金，属于刚性材料，该硬质合金有较好的抗冲击韧性、断裂韧性、疲劳强度、抗弯强度以及良好的耐磨性，其弹性模量为642 GPa，泊松比为0.23。

表1 牙齿材料YG15C硬质合金基本参数弹性模量/GPa 642泊松比0.23抗弯强度/MPa 2800密度 /(g·cm-3)14.95

2.3 网格划分

硬质合金齿模型几何形状比较复杂，不适合用六面体单元划分网格，而采用四面体单元。选择ABAQUS中的十结点通用四面体单元C3D10I，该单元采用改进的表面应力公式，能提高网格划分质量。如图3所示。

图3 硬质合金齿网格模型

2.4 载荷及边界条件设置

对硬质合金齿顶施加方向竖直向下的载荷20 kN，硬质合金齿底部设置为完全固定约束，如图4所示。

图4 施加载荷和设置边界条件

3 硬质合金齿强度分析

3.1 静强度分析

牙轮钻头硬质合金齿静强度分析主要以屈服准则[8]来作为评价指标，Mises应力反映了硬质合金齿结构的强度。针对3种不同结构的硬质合金齿接触井底的极限工况作静强度分析，获得3种硬质合金齿Mises应力分布情况，分别如图5～7所示。

图5 楔形齿1Mises应力分布云图

图6 楔形齿2Mises应力分布云图

图5中硬质合金楔形齿1的Mises应力主要集中在牙齿顶部，最大应力位置在牙齿顶部3 446节点处，最大值为2 010 MPa。图6中硬质合金楔形齿2的Mises应力主要集中在牙齿顶部，最大应力位置在牙齿顶部17 325节点处，最大值为1 599 MPa。图7中硬质合金楔形齿3的Mises应力主要集中在牙齿顶部，最大应力位置在牙齿顶部72 463节点处，最大值为1 243 MPa。

从分析结果可知，3种硬质合金齿结构Mises应力均主要集中在牙齿结构的顶部，最大应力位置在牙齿顶部边缘处；3种硬质合金齿Mises应力最大值分别为2 010 MPa、1 599 MPa、1 243 MPa，最大的是1号楔形齿，最小的是3号楔形齿；1号楔形齿强度最低，3号楔形齿强度较高。

图7 楔形齿3Mises应力分布云图

3.2 疲劳强度分析

零件或构件在交变载荷的反复作用下，受到的交变应力即使比静强度设计的许用应力小，也可能会在局部产生疲劳裂纹并扩展，最终会发生疲劳断裂[9-11]。因此，研究小尺寸三牙轮钻头硬质合金齿疲劳强度分析很有必要。

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