肯尼亞牙輪鉆頭金剛石復合牙齒性能測試分析研究

莊純才（中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧　盤錦　124010）

肯尼亞牙輪鉆頭金剛石復合牙齒性能測試分析研究

莊純才（中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦124010）

金剛石復合齒是一種由硬質合金本體和金剛石復合層組合燒結連接而成的一種高強度、高耐磨性切削齒［1］。隨著金剛石復合齒制造工藝的不斷改進，其力學性能和切削學性能不斷進步，目前已在牙輪鉆頭、潛孔錘等鉆探設備中廣泛應用。牙輪鉆頭通過沖擊-刮切復合作用破碎井底巖石。肯尼亞地熱鉆井地層屬中硬地層、高研磨性、高井底溫度，通過應用金剛石復合齒提高牙輪鉆頭抗研磨性、進而大幅延長牙輪鉆頭的使用壽命，是一種有效的技術手段。通過室內實驗研究，從牙齒結合結構、物理力學性能等方面優選高性能金剛石復合齒，為肯尼亞高效牙輪鉆頭的研發創造條件。

肯尼亞；牙輪鉆頭；金剛石復合牙齒

1　實驗測試目的與方法

磨損是工程中普遍存在的現象，凡是有相對摩擦的機件，必然會伴有磨損現象。影響摩擦磨損的因素很多，諸如施加壓力、運動速度、工件表面質量、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。牙輪鉆頭在井底運轉時實現的運動比較復雜［2］，在試驗過程中難以實現，但我們知道牙輪鉆頭工作時，牙齒除了有磨損破壞外，還有沖擊破壞，根據這點我們可以將其簡化為自由落體運動和下試樣的的轉動，這樣不失結果的參考性，可以達到試驗的目的。牙齒在整個試驗中，由于齒形的不同，產生的沖擊力會有所不同，同時受到的摩擦力也會不同，這都會直接影響到牙齒的使用壽命，一般來說，沖擊力越大時，下試樣磨損得越快，同時其工作壽命也會相應的減少。

通過沖擊疲勞壽命試驗來對金剛石復合齒的沖擊疲勞性能及磨損量進行比較，對以后復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，對每顆牙齒的試驗時間進行統計。整理試驗數據，最終都轉化為沖擊總功，進而來對牙齒疲勞壽命進行比較。

硬質合金齒緊固于沖錘上，試驗時，沖錘提升到一定的高度，然后自由下落，使牙齒反復沖擊和摩擦下試樣。

（1）試驗參數：沖錘質量：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的三種齒形（錐形齒、球形齒、楔形齒）的復合齒和自貢硬質合金工生產的普通硬質合金楔形齒。

（3）試驗環試驗環為高碳鉻軸承鋼淬火回火處理，表面硬度大約為63HRC規格，粗糙度Ra為3.2。

2　實驗步驟

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

（2）檢查試驗機的機械部分和電氣部分，正常則開機試驗；

（3）每次試驗時間為30分鐘，待牙齒冷卻后再進行試驗，直到牙齒出現破壞為止，記錄試驗時間；

（4）試驗完畢后關閉、清洗試驗機。

在試驗過程中，有兩點必須特別注意：

（5）在試驗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結果；

（6）試驗設備的潤滑，以免因為設備消耗的無用功不等而影響試驗結果。

圖1　沖擊磨料磨損試驗原理圖

3　實驗結果分析及結論

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現錐形齒、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、楔形齒作用在試驗環上的集中應力比球形齒要大，這樣就會導致牙齒對試驗環的沖擊力大，因而錐形齒、楔形齒的疲勞壽命相比之下就會短很多，磨損量就會大很多；

3.3材料方面，普通硬質合金牙齒的疲勞壽命要比復合齒小很多。原因可能跟材料和齒形有關。這就要求我們在選齒的過程中要綜合考慮這三方面，以實現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《石油機械》，1995（4）:4-5.