基于有限元的牙輪鉆頭鑲齒過盈量研究

摘 要：以常用8 1/2-in三牙輪鉆頭鑲裝?14mm牙齒為研究對象，分析牙齒與齒孔裝配時的過盈量影響規律，過盈量范圍選擇0.040～0.100mm，運用有限元軟件ABAQUS模擬計算不同過盈量時的齒孔受力和變形，通過相互對比選擇合理的過盈量范圍。分析結果表明：隨著過盈量增大齒孔受力增加，過盈量理想的取值范圍在0.070～0.080mm之間，該結果對三牙輪鉆頭設計制造具有重要的參考作用。

關鍵詞：三牙輪鉆頭；過盈量；齒孔受力；ABAQUS有限元

0引言

三牙輪鉆頭自問世以來就以優良的性能得到了廣泛應用，三牙輪鉆頭一直以來都是重要破巖工具，而在鉆井過程中出現鉆頭掉齒嚴重影響了潛孔鉆頭的工作性能和使用壽命，同時牙齒與齒孔的裝配過盈量直接影響牙齒固緊強度[1，2]。裝配過盈量太大，增加裝配難度的同時也可能將牙輪本體材料壓潰；裝配過盈量太小，牙齒固緊強度很低，牙輪鉆頭工作時易出現掉齒現象。因此，合理的過盈量是解決掉齒問題的重要途徑。本文采用ABAQUS有限元模擬分析，以8 1/2-in三牙輪鉆頭鑲裝?14mm牙齒為研究對象，建立了牙齒和牙輪齒孔的有限元模型，對不同過盈量下牙齒鑲裝時的裝配應力及齒孔位移進行了深入分析，分析結果對該尺寸牙輪鉆頭鑲裝?14mm牙齒的過盈量設計提供了理論依據。

1有限元模型的建立

牙輪和牙齒材料分別選擇20Ni4Mo和YG06A硬質合金，牙齒材料與牙輪材料相比具有較高的彈塑性和抗壓強度，可以將牙齒視為剛體分析。牙齒和齒孔的摩擦系數選擇0.1。彈性模量210GPa，泊松比0.286，屈服極限1035MPa，抗壓強度2157MPa，密度7.85g/cm3[3]。

針對牙齒和齒孔結構的軸對稱性，采用牙齒和齒孔截面的1/2建立二維軸對稱模型進行分析[4]，對牙齒和齒孔相接觸區域分割方便細化網格，牙輪材料選擇軸對稱四邊形非協調模式單元CAX4I[5]，全局網格大小為0.5，局部網格大小為0.3。牙齒和牙輪簡化尺寸參數設計和ABAQUS中牙輪網格劃分如圖1所示。

2有限元分析

主要研究的是牙齒運動到不同齒孔位置的靜態響應，用ABAQUS/Standard求解，過盈量小于0.040mm時牙齒固緊效果差[6]，故分析0.040mm～0.100mm之間的過盈量，兩相鄰的分析過盈量選擇0.005mm間隔取值。牙齒全部壓入牙輪齒孔過盈量為0.080mm時，齒孔壁的Mises應力云圖如圖2所示。

由圖2和圖3可以得到，當過盈量為0.080mm時，齒孔應力在屈服極限偏上附近波動，大部分應力超出屈服極限約70MPa，齒孔口和齒根倒角尖與齒孔壁接觸位置的Mises應力超過屈服極限較多，但是沒有超過牙輪材料的強度極限；過盈量小于0.070mm時，牙輪材料基本完全處于彈性變形階段，過盈量大于0.080mm時牙輪本體材料處于塑性變形階段，齒孔表面的應力超出牙輪材料的強度極限，此時的牙輪齒孔壁已經出現較多裂紋破壞。過盈量在0.070～0.080mm之間時，齒孔Mises應力在彈性極限附近波動且變化穩定，是比較理想的鑲齒過盈量。

3總結

（1）齒孔應力隨過盈量的增加而增大，過盈量為0.070mm時，牙輪材料應力略低于彈性極限。

（2）過盈量為0.075mm時，牙輪齒孔口和牙齒倒角尖齒孔壁出現很小的塑性變形；過盈量大于0.080mm時，齒孔應力超出彈性極限較多，部分位置出現小裂紋，牙齒固緊不可靠。

（3）考慮到材料的塑性強化作用，建議8 1/2-in三牙輪鉆頭鑲裝?14mm牙齒采用過盈量為0.070～0.080mm。

參考文獻

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[3]伍開松，馬德坤.牙輪鉆頭滑動軸承材料的力學性能試驗[J].機械工程材料，2003，27（11）：7-9.

[4]趙華，尹輝.各種柱筒與軸的過盈配合分析[J].石油機械，1998，26（2）：7-10.

[5]任榮坤等.牙齒過盈配合的接觸非線性數值模擬研究[J].重慶科技學院學報，2011，13（3）.

[6]練章華，陳小榆等.鉆頭牙齒過盈配合計算機仿真模擬實驗研究[J].石油機械，2001，29（4）.

第一作者簡介：王金彥，1985年—，男，漢族，西南石油大學石油礦場機械專業，在讀研究生，主要從事石油機械和井下工具研究工作。