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PDC钻头混合布齿切削试验装置
刘忠1,2, 胡伟2, 缪明才3, 侯辉辉2     
1. 中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院;
2. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院;
3. 胜利石油管理局设备管理处
摘要: 现有PDC钻头单齿试验装置对单齿切削角度等参数的调整很不方便,需要进行多组刀具的频繁更换,不适用于多切削齿在交叉或重叠组合下的混合切削特性及破岩机理的试验研究。为此,设计了PDC钻头混合布齿切削试验装置。该装置通过特殊的混合布齿组合结构设计,能实现不同PDC齿在不同切削参数下的混合布齿组合,具备PDC混合布齿切削试验能力。试验结果表明:该试验装置可以方便地实现对PDC齿后倾角、切削深度、多切削齿布齿方式及组合等切削结构和参数进行调节,从而实现对不同切削齿在不同组合及布齿参数下切削规律和破岩机理的研究。研究结果为进行有针对性和适应性的PDC钻头切削结构和布齿优化设计奠定了试验基础。
关键词: PDC钻头    破岩机理    混合布齿    切削参数    试验装置    
Cutting Test Device for PDC Bit with Mixed Cutter Arrangement
Liu Zhong1,2, Hu Wei2, Miao Mingcai3, Hou Huihui2     
1. Faculty of Engineering, China University of Petroleum(Beijing) at Karamay;
2. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum(Beijing);
3. Equipment Management Office of Shengli Petroleum Administration
Abstract: The existing PDC bit single-cutter test device is very inconvenient to adjust the parameters such as single-cutter rake angle. It is necessary to carry out frequent replacement of multiple sets of tools, which is not suitable for the mixed cutting characteristics and rock breaking test of multi-cutter under cross or overlapping arrangement. To address the problem, a PDC bit mixed cutter cutting test device was designed. It can realize mixed cutter arrangement of different PDC cutters under different cutting parameters through special structure design, and has the ability to perform PDC mixed cutter cutting test. The test results show that the cutting test device for PDC bit with mixed cutter arrangement can easily realize the adjustment of cutting structure and parameters of PDC cutter including back rake angle, cutting depth, multi-cutter arrangement pattern and combination, so as to achieve researches on cutting and rock breaking mechanism of different cutters under different combinations with various arrangement parameters, providing a test foundation for fit-for-purpose PDC bit cutting structure and cutter arrangement optimization design.
Keywords: PDC bit    rock breaking mechanism    mixed cutter arrangement    cutting parameters    test device    

0 引言

PDC钻头的破岩效果与所钻岩层的岩性及钻井工艺过程、PDC钻头的切削结构、切削齿的布置方式和参数密切相关[1-8]。所钻岩层岩性的多样性对PDC钻头的适应性和针对性提出了更高的要求:PDC钻头能针对不同岩性地层依据不同的破岩机理进行设计[9-10],尤其对于硬地层和研磨性地层,往往需要依据其破岩机理进行切削齿混合布齿方式和参数的优化设计,以增强破岩效果[11-15]

目前,国内外大多依靠布齿理论模型、软件模拟或经验进行PDC钻头混合布齿设计,在现有文献里未见混合布齿破岩机理研究方面的报道[16-19],而且现有的PDC单齿试验装置对单齿切削角度等参数的调整很不方便,需要进行多组刀具的频繁更换,已不适用于多切削齿在交叉或重叠组合下的混合切削特性及破岩机理的试验研究[20]。为此,笔者设计了一种可用于PDC单齿及多齿混合布齿的试验装置。该装置可以方便地对PDC齿后倾角、切削深度、多切削齿布齿方式及组合等切削结构和参数进行调节,从而实现对不同切削齿在不同组合及布齿参数下切削规律和破岩机理的研究。研究结果可为进行有针对性和适应性的PDC钻头切削结构和布齿优化设计奠定试验基础。

1 试验装置技术分析

图 1所示,试验装置主要由动力驱动模块、切削模块、数据采集模块和数据处理模块组成。动力驱动模块主要用来提供动力,并将机床主轴的旋转运动转换为岩样固定台的水平往复直线运动,同时可以精确控制岩样水平移动速度,切削模块主要用于模拟和调节PDC齿的布齿方式及切削结构参数,以模拟PDC钻头在不同布齿方式下的破岩机理。数据采集模块主要用于数据的采集和传递,即将切削齿的受力情况转换为电压信号变化曲线。数据处理模块主要用于电压信号的A/D转换、滤波及储存。

1—机床;2—数据采集卡;3—计算机;4—力传感器;5—刀架;6—岩样。 图 1 试验装置结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the test device

1.1 动力驱动模块

动力驱动模块包括机床的动力和速度控制系统、丝杠主轴及可沿导轨直线运动的岩样固定台。试验时可通过调节变速旋钮来精确控制丝杠主轴的转速,并通过丝杠将机床的旋转运动转换为固定台的往复直线运动,从而控制岩石的水平运动速度,实现岩石切削速度的调节和控制。

1.2 切削模块

图 2所示,切削模块主要包括刀架、刀头、力传感器、切削齿深度及倾角调节机构。

1—刀架升降调节螺杆;2—刀架滑移机构;3—传感器;4—紧定手柄;5—旋转轴;6—刀座;7—刀头调节及固定机构;8—刀头横向调节轨道;9—刀头;10—切削齿。 图 2 切削单元结构示意图 Fig.2 Structure of the cutting unit

1.2.1 切削齿倾角调节

PDC齿的倾角可通过旋转刀座,将其定位螺孔旋转到旋转轴孔上端扇形分布的螺孔处进行固定,每个螺孔相隔5°,切削齿倾角可实现-30°~30°调节,如图 3所示。

图 3 PDC齿倾角调节示意图 Fig.3 Schematic diagram of PDC cutter rake angle adjustment

1.2.2 切削深度调节

图 4所示,可以通过刀架的升降调节和刀头的升降调节两种方式调节PDC齿的切削深度。同时,刀架螺杆机构上的双螺母能可靠地固定刀架位置,使其在切削过程中不发生轴向移动。

图 4 PDC齿切削深度调节示意图 Fig.4 PDC cutter cutting depth adjustment

1.2.3 混合布齿结构和参数调节

图 5所示,通过调整刀头的位置,即可调整不同类型和数量切削齿的布齿组合,从而实现混合布齿的结构调节。

图 5 PDC布齿组合示意图 Fig.5 PDC cutter arrangement

图 6所示,通过调节布齿高度差h和布齿间距s,可以实现对混合布齿切削机构的布齿参数调节。

图 6 布齿参数调节示意图 Fig.6 Schematic diagram of PDC cutter arrangement parameter adjustment

1.3 数据采集模块

数据采集模块由自主设计的二维力传感器内部的弹性元件及与其相连接的桥式电路和外部抗干扰保护壳组成。在弹性元件上布置有序并按角度排列的电阻式应变片,以感应岩石切削过程中因切削载荷产生的应变。外部抗干扰保护壳主要用来屏蔽外部的干扰信号,同时对其内部的弹性元件及电路也能起到一定的密封和保护作用,在岩石切削过程中免受岩屑等粉尘的污染。

1.3.1 传感器弹性元件结构及布片方式

传感器的布片方式如图 7所示。

图 7 传感器的布片方式 Fig.7 Sensor layout

图 7可知,在对称布置的双半圆形弹性元件上布置有8个应变片,用来测量切削齿切削过程中受到的轴向力和切削力。其中,应变片R1~R4在轴向力的作用下会随半圆形弹性元件的变形而拉伸或压缩,从而改变应变片的电阻值并引起电信号的变化,据此能实现对轴向力的测量;而应变片R5~R8的电阻值会随切削方向上的变形而改变,从而引起电信号变化,这样就能实现对切削力的测量。

1.3.2 桥电路的组合方式

传感器上的8片应变片组成了2个惠斯通全桥电路,分别测量切削力Fx和轴向力Fy。全桥电路具有温度补偿和增大输出电信号的作用,即使刀头与刀架中心线存在偏置距离,仍然可以准确测量,具有恒定的标定系数。

测量切削力的桥电路如图 8a所示。测量轴向力的桥电路如图 8b所示。

图 8 桥电路示意图 Fig.8 Schematic diagram of the bridge circuit

1.4 数据处理模块

图 9所示,数据处理模块将采集的模拟电信号进行A/D转换及多路输出到计算机,并采用滤波程序进行数据滤波后以图形显示。

图 9 数据采集及处理示意图 Fig.9 Schematic diagram of data acquisition and processing

2 试验装置的可行性验证

本文以均质石灰岩为岩石样品进行不同切削深度和不同切削速度下的切削试验,以验证试验装置的切削能力、数据采集的有效性和精度。

2.1 试验方法及步骤

数据采集装置实物图如图 10所示。试验时,将岩样固定在工作台上并装好刀头,连接传感器和信号放大器,并接入数据采集卡进行数据的A/D转换和收集。最后将采集卡与计算机连接进行数据的分析处理。具体步骤如下。

1—信号放大器;2—计算机;3—直流电源;4—数据采集卡;5—刀架;6—力传感器;7—标准砝码。 图 10 数据采集装置实物图 Fig.10 Data acquisition device

(1) 将岩样进行形状及表面平整度的处理并固定在岩样固定台上。

(2) 进行传感器的调校,记录空载时电压值V0与受到标准质量块m重力作用的电压值V1,则试验时所测电压值V与力之间的对应关系为:

为了尽可能地减小误差,尽量采用满传感器输出量程,且标定时所挂质量块为质量精准的标准质量块。

(3) 分别进行切削深度、切削角度、切削速度、切削齿数量及类型等参数的设定,然后进行试验、数据采集和数据的分析处理。

2.2 不同切削深度下的切削试验

选用ø13.4 mm圆形PDC单齿,齿后倾角设定为0°,电机转速设定为56 r/min,进行切削深度分别为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mm的切削试验。

图 11为切削载荷随时间变化的波形曲线。从图 11可以看出,切削过程中切削载荷和轴向载荷虽然都有波动,但都分别在其均值上下波动,波形整体比较稳定,能体现切削载荷随时间变化的规律,说明试验装置满足PDC齿切削试验的要求。

图 11 切削载荷随时间的变化规律 Fig.11 Variation of cutting load with time

图 12是切削深度分别为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mm时,切削均值载荷随切削深度变化的规律。从图 12可以看出,切削过程中切削力和轴向力均随切削深度的增加而增加,符合切削载荷随切削深度变化的规律,也说明试验装置满足PDC齿不同切削深度切削试验的要求。

图 12 切削均值载荷随切削深度的变化规律 Fig.12 Variation of the mean cutting load with the cutting depth

2.3 不同切削速度下的切削试验

选用ø13.4 mm圆形PDC单齿,齿后倾角设定为0°,切削深度设定为1.0 mm,进行电机转速分别为35、56、90、110和180 r/min的切削试验。

图 13是切削均值载荷随切削速度的变化规律。

图 13 切削均值载荷随切削速度的变化规律 Fig.13 Variation of the mean cutting load with the cutting speed

图 13可以看出,切削过程中切削均值载荷随切削速度的增加而略有增加,但不如随切削深度的变化那么明显,符合切削载荷随切削速度变化的规律,也说明试验装置满足PDC齿不同切削速度切削试验的要求。

3 结论

(1) 提出了一种新型PDC钻头混合布齿切削试验装置,通过特殊的混合布齿组合结构设计能实现不同PDC齿在不同切削参数下的混合布齿组合,具备进行PDC混合布齿切削试验的能力。

(2) 该试验装置能模拟不同切削齿在不同组合及布齿参数下,切削载荷随切削深度及切削速度变化的试验研究和破岩机理研究。

(3) 该试验装置不仅适用于PDC单齿破岩机理的试验研究,还可以用于PDC混合布齿破岩机理以及混合布齿切削结构优化设计的试验研究。

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文章信息

刘忠, 胡伟, 缪明才, 侯辉辉
Liu Zhong, Hu Wei, Miao Mingcai, Hou Huihui
PDC钻头混合布齿切削试验装置
Cutting Test Device for PDC Bit with Mixed Cutter Arrangement
石油机械, 2019, 47(5): 44-49
China Petroleum Machinery, 2019, 47(5): 44-49.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.05.007

文章历史

收稿日期: 2018-12-27

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