旋冲钻具凸轮-滚轮冲击机构工作特性分析

旋冲钻具能有效提高深层、硬地层的破岩效率,具有广阔的应用前景。凸轮-滚轮是实现冲击动作的关键机构,但复杂多变的井下环境导致机构损伤严重,进而影响破岩效率。基于旋冲钻具多井次的试钻数据,建立凸轮-滚轮动力学模型,通过显式动力学(Autodyn)分析不同冲程、转速、钻压下的工作特性,总结机构的形变特征提出优化方法。分析结果与试验数据和理论数值对比,验证了计算模型的准确性。结果表明:冲程增大可提高冲击效果,但高于10 mm冲程的滚子实际运动轨迹受钻速、滚轮尺寸、凸轮轮廓曲率影响其轨迹将变平缓。转速在9~18 rad/s时轴向加速度波动幅度较大,对钻具的稳定性具有一定影响。钻压增大凸轮内缘处形变特性明显,其形变量与钻压成正比,25 kN钻压下凸轮的形变量约是10 kN的2.6倍。凸轮齿顶、滚轮内缘处为易变形点,在齿顶处安装可换滚筒同时改变滚轮为鼓轮构型并对抛物线-直线-抛物线、2次多项式、摆线、7次多项式4类凸轮轮廓线型进行特性分析。选用摆线及7次多项式凸轮座轮廓和鼓轮可提高冲击效果,计算结果可为旋冲钻具设计提供参考依据。