锥形PDC齿单齿破岩有限元仿真研究

Finite Element Simulation of Cone PDC Tooth Single Tooth Rock Breaking

为提高PDC钻头的破岩效率,对锥形PDC齿进行结构参数敏感性分析。通过建立锥形PDC齿单齿破岩有限元仿真模型,分析了锥形PDC齿破岩过程中的响应特性,研究了前倾角、切削深度和齿顶角对锥形PDC齿破岩效率的影响。分析结果表明:锥形PDC齿破岩时先以“点”载荷的形式吃入岩石,后续锥面两侧接着接触岩石形成“V”形作用区域,此时最大应力集中在“V”形尖端部位,提高破岩效率;锥形PDC齿的切削载荷和破岩比功随着前倾角的增大而减小,当前倾角大于15°时破岩比功变化较小;当切削深度增加时,意味着PDC齿所需破碎岩石量增加,因此切削载荷随着切削深度的增加而增大,但是破岩比功却随之减小,这意味着破岩效率增加,综合考虑下优选2mm切削深度;齿顶角对切削载荷的影响较小,随着齿顶角的增大,切向载荷几乎没有变化,轴向载荷在100°齿顶角后才有明显增加,而破岩比功随着齿顶角的增大而小幅增加,在考虑到崩齿等失效现象下优选齿顶角为100°。研究结果可为锥形PDC齿破岩机理研究提供参考。