基于有限元分析的煤矿井下新型弧角型聚晶金刚石复合片钻头优化设计

为了提高煤矿井下硬地层的钻进效率,借鉴石油钻头的设计和加工理念,提出了一种适用于煤矿井下硬岩钻进的新型弧角型PDC钻头的设计思路。采用有限元数值模拟方法,分别对直径为113mm的弧角型聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的切削结构和水力结构进行优化设计,得出:当采用内锥角为130°、外锥圆弧半径为20mm的冠部形状,切削齿切削角度为-15°、侧转角为4°~6°,刀翼采用直刀翼的钻头切削结构时,破岩效果最佳;喷嘴喷射角为22°~30°、方位角的设计靠近切削齿的工作面时的钻头水力结构,能够满足岩屑的有效运移。基于此,试制了直径为113mm的弧角型PDC钻头,并进行现场试验,结果表明:弧角型PDC钻头的平均寿命为626m,平均钻进时效为25m/h,与工区现用普通内凹型钻头相比,寿命提高了4倍,钻进效率提高了1倍,说明本文设计的弧角型PDC钻头能够代替普通内凹钻头应用于硬地层钻进,可同时达到提高钻进效率和降低施工成本的目的。