非自洁式牙轮钻头齿圈混合布齿优化设计及仿真

摘要

自洁式牙轮钻头考虑自洁效果，牙轮齿圈布齿形式单一，钻遇深部硬-极硬地层时破岩效率不理想，而非自洁式牙轮钻头通过单齿圈混合布齿可以在复杂难钻地层具备较高的破岩效率。文中开展花岗岩三轴力学性能试验获得岩石基本力学性能，建立非自洁式牙轮钻头与自洁式牙轮钻头齿圈数值仿真模型，分析比较两种单齿圈的破岩效率。从布齿数量、露齿高度、牙齿直径和布齿方式4方面对非自洁式牙轮钻头单齿圈布齿设计进行优化。仿真分析结果表明，齿圈上布齿数量为21颗，布齿方式为大小齿交替均布布齿，露齿高度为7 mm,牙齿直径为13 mm和11 mm时，齿圈破碎比功最低，岩石破碎效率更高，并通过单齿圈破岩试验进行验证。