肯尼亚牙轮钻头金刚石复合牙齿性能测试分析研究

庄纯才（中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁　盘锦　124010）

肯尼亚牙轮钻头金刚石复合牙齿性能测试分析研究

庄纯才（中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁盘锦124010）

金刚石复合齿是一种由硬质合金本体和金刚石复合层组合烧结连接而成的一种高强度、高耐磨性切削齿［1］。随着金刚石复合齿制造工艺的不断改进，其力学性能和切削学性能不断进步，目前已在牙轮钻头、潜孔锤等钻探设备中广泛应用。牙轮钻头通过冲击-刮切复合作用破碎井底岩石。肯尼亚地热钻井地层属中硬地层、高研磨性、高井底温度，通过应用金刚石复合齿提高牙轮钻头抗研磨性、进而大幅延长牙轮钻头的使用寿命，是一种有效的技术手段。通过室内实验研究，从牙齿结合结构、物理力学性能等方面优选高性能金刚石复合齿，为肯尼亚高效牙轮钻头的研发创造条件。

肯尼亚；牙轮钻头；金刚石复合牙齿

1　实验测试目的与方法

磨损是工程中普遍存在的现象，凡是有相对摩擦的机件，必然会伴有磨损现象。影响摩擦磨损的因素很多，诸如施加压力、运动速度、工件表面质量、润滑剂及材料性能等等，所以金属摩擦磨损特性并不是材料固有的，而是工作条件与材料性能的综合特性。牙轮钻头在井底运转时实现的运动比较复杂［2］，在试验过程中难以实现，但我们知道牙轮钻头工作时，牙齿除了有磨损破坏外，还有冲击破坏，根据这点我们可以将其简化为自由落体运动和下试样的的转动，这样不失结果的参考性，可以达到试验的目的。牙齿在整个试验中，由于齿形的不同，产生的冲击力会有所不同，同时受到的摩擦力也会不同，这都会直接影响到牙齿的使用寿命，一般来说，冲击力越大时，下试样磨损得越快，同时其工作寿命也会相应的减少。

通过冲击疲劳寿命试验来对金刚石复合齿的冲击疲劳性能及磨损量进行比较，对以后复合齿的选用提供一定的参考。选用每种齿形的牙齿各取两颗，对每颗牙齿的试验时间进行统计。整理试验数据，最终都转化为冲击总功，进而来对牙齿疲劳寿命进行比较。

硬质合金齿紧固于冲锤上，试验时，冲锤提升到一定的高度，然后自由下落，使牙齿反复冲击和摩擦下试样。

（1）试验参数：冲锤质量：30kg；冲击频率：60次/秒；冲击自由落体高度：0～15mm。（如图1）

（2）牙齿牙齿为锐特金刚石有限公司和飞瑞金刚石有限公司生产的三种齿形（锥形齿、球形齿、楔形齿）的复合齿和自贡硬质合金工生产的普通硬质合金楔形齿。

（3）试验环试验环为高碳鉻轴承钢淬火回火处理，表面硬度大约为63HRC规格，粗糙度Ra为3.2。

2　实验步骤

（1）调整冲锤下端螺杆，使其自由落体高度为10mm，.取下安全栓，使上下试件接触；

（2）检查试验机的机械部分和电气部分，正常则开机试验；

（3）每次试验时间为30分钟，待牙齿冷却后再进行试验，直到牙齿出现破坏为止，记录试验时间；

（4）试验完毕后关闭、清洗试验机。

在试验过程中，有两点必须特别注意：

（5）在试验过程中要注意牙齿的冷却，以免牙齿温度过高而影响最终的试验结果；

（6）试验设备的润滑，以免因为设备消耗的无用功不等而影响试验结果。

图1　冲击磨料磨损试验原理图

3　实验结果分析及结论

3.1锐特公司的牙齿疲劳寿命高于飞瑞公司的；

3.2牙齿的齿形方面，球形齿的疲劳寿命较另外两种齿形要高。锥形齿的冲击总功比球形齿将近小一倍，楔形齿则更小，而且比较他们的尺寸发现锥形齿、楔形齿要更大些，这说明了球形齿的疲劳寿命较其他两种齿形要长些。原因是在钻压一定的情况下，锥形齿、楔形齿作用在试验环上的集中应力比球形齿要大，这样就会导致牙齿对试验环的冲击力大，因而锥形齿、楔形齿的疲劳寿命相比之下就会短很多，磨损量就会大很多；

3.3材料方面，普通硬质合金牙齿的疲劳寿命要比复合齿小很多。原因可能跟材料和齿形有关。这就要求我们在选齿的过程中要综合考虑这三方面，以实现牙轮钻头的高效工作。

［1］李宏利，于庆增，王绍丽，方海江《超硬材料工程》2013，25（1）:17-18.

［2］喻开安，邓嵘，马德坤，杨世良《石油机械》，1995（4）:4-5.