变温变载影响下PDC钻头的动态磨损趋势预测

摘要

传统的PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头磨损预测方法未考虑切削齿温度、切削受力和磨损的动态变化过程,使得磨损预测结果存在偏差,从而导致钻头磨损后受力恶化、快速失效.为解决这一问题,基于磨料磨损理论、微积分基本理论以及迭代算法,构建了PDC钻头切削齿体积磨损量和线磨损量之间的函数关系以及切削齿隐式线磨损模型,提出了PDC钻头动态磨损趋势预测方法,并对某直径为215.9 mm的六刀翼PDC钻头展开磨损趋势预测.结果表明,当PDC钻头未磨损时,其内锥齿的初始受力较大,切削齿齿体温度普遍偏高;随着PDC钻头的不断磨损,其外锥齿的受力呈快速增大趋势,切削齿齿体温度逐渐降低.在破岩初期,PDC钻头冠顶齿的磨损最为严重,外锥齿的磨损速度最快;一段时间后,外锥齿的磨损最为严重.研究结果可为磨损钻头破岩受力特性分析、基于磨损的PDC钻头布齿设计、地热钻头设计以及钻头寿命预测等提供理论基础与支撑.