CN108709739A - 一种用于模拟pdc齿载荷温度耦合磨损的实验装置 - Google Patents

一种用于模拟pdc齿载荷温度耦合磨损的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置，由电机、液压动力源、下支撑架、左液压缸、左导向加载块、微型动力端、左导向柱、上支撑架、PDC齿横移机构、右导向柱、右导向加载块、温度测控机构、右液压缸、岩石旋转机构、排屑装置、减速箱构成；本发明克服了传统摩擦磨损实验装置单一的往复或圆周运动的局限性，通过PDC齿横移机构、岩石旋转机构和液压综合作用，实现了PDC齿周向、横向和纵向的复合运动，同时也实现了纵向载荷施加；通过对PDC刀具齿体温度的监测与控制，实现了PDC齿齿体温度的直接调节，比传统的环境温度控制更加精确可靠；本发明能实现不同齿体温度和载荷耦合作用下的PDC齿磨损性能实验研究。

Description

一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置
技术领域
本发明涉及一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置，属于机械磨损实验装置领域。
背景技术
PDC钻头是石油天然气、地热、煤炭等钻井领域中重要的破岩工具，其基于钻压低、钻速高等优点，在油气钻井市场的份额逐步扩大。目前，PDC钻头在世界油气钻井市场的份额已达80％，占世界钻井总进尺比例的90％以上，已成为石油钻井领域中的主力钻头，对钻井提速和钻井技术发展起到了巨大的推动作用。
然而，当钻遇高温复杂硬地层时，由于温度和载荷的耦合作用使PDC齿磨损严重，降低了钻头寿命和钻井效率，制约了PDC钻头的发展。而目前，国内外学者缺乏温度与载荷耦合下的PDC齿磨损研究，配套实验装置更是未见报道。
此外，传统的摩擦磨损实验装置有三点不足：一是其只能控制环境温度，不能控制PDC齿齿体温度；二是金属与岩石对磨产生的碎屑是金属与金属对磨产生碎屑的数倍之多，传统的摩擦磨损实验装置难以处理对磨过程中产生的大量岩屑；三是传统摩擦磨损实验装置仅是单一的往复运动或圆周运动，而基于岩石会被大量磨损的特点，需要切削齿进行复合运动。
因此，急需研发一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置，以研究PDC齿的载荷温度耦合磨损性能，为抗高温耐磨PDC齿研制、地热钻头研制等提供理论基础和指导。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术不足，提供一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置，能实现不同齿体温度、不同切削载荷耦合作用下的PDC齿磨损性能研究。
本发明的技术方案：
本发明一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置，包括电机、液压动力源、下支撑架、左液压缸、左导向加载块、微型动力端、左导向柱、上支撑架、PDC齿横移机构、右导向柱、右导向加载块、温度测控机构、右液压缸、岩石旋转机构、排屑装置、减速箱；所述PDC齿横移机构由横向导向柱、PDC齿夹具、丝杠和PDC刀具齿构成；所述温度控制机构由加热丝、水冷管、红外线温度测试仪组成；所述岩石旋转机构由岩石夹具、固定底盘、推力球轴承和垫块组成；所述排屑装置由集水槽、排屑管，固定座和环形槽组成。
所述电机螺纹紧固在下支撑架内，液压动力源焊接在下支撑架内，为左液压缸和右液压缸提供动力；所述左液压缸与下支撑架螺纹连接，左液压缸上端与左导向加载块紧固；左导向加载块与左导向柱间隙配合，左导向柱为左导向加载块的运动提供导向作用；左导向柱上端与上支撑架螺纹连接；上支撑架焊接在下支撑架上；右导向柱上端与上支撑架连接，下端与下支撑架连接，右导向柱与右导向加载块间隙装配；所述右液压缸与下支撑架螺纹连接，右液压缸上端与右导向加载块紧固；所述的减速箱安装在下支撑架内，减速箱连接着推力球轴承转子和电机，起传递动力以及减速作用。
微型动力端的连接环与左导向柱间隙配合，焊接块与左导向加载块焊接，微型动力端通过传动孔与丝杠连接，并为丝杠提供旋转动力；PDC齿夹具的齿槽内安装有PDC刀具齿，靠销钉孔与PDC刀具齿销钉连接，螺纹孔与丝杠螺纹连接，导向孔与横向导向柱间隙配合；所述丝杠和横向导向柱安装在左导向加载块和右加载块之间。
加热丝、水冷管、红外线温度测试仪均安装在PDC齿夹具上，加热丝包围在PDC刀具齿外侧；水冷管末端正对PDC刀具齿齿面；红外线温度测试仪用于PDC刀具齿齿体温度的测试。
所述岩石夹具的圆筒内装有圆柱形岩石，圆筒底端连接有沉孔，沉孔与固定底盘螺栓连接，圆筒四周均匀布置有四个凸台；垫块上开有螺纹孔，螺纹孔的中心线和凸台的中心线重合，垫块的平面端与岩石完全贴合，垫块的曲面端与圆筒完全贴合，螺钉穿过凸台和垫块紧固圆柱形岩石；所述固定底盘上开有倒T型槽和环形槽，倒T型槽和沉孔间螺栓连接，固定底盘和推力球轴承紧固。
排屑装置上的固定座与下支撑架螺纹连接，排屑装置内有集水槽，外侧安装有排屑管，排屑装置内侧开有环形槽，环形槽和环形槽之间安装有O型密封圈。
本发明具有以下优点：1.本发明克服了传统摩擦磨损实验装置单一的往复运动或圆周运动的局限性，通过PDC齿横移机构、岩石旋转机构和液压的综合作用，实现了PDC齿破岩周向运动、横向运动和纵向运动的复合运动，达到了PDC周向刮切破岩的同时，还可根据岩石切削状况，调整PDC齿的纵向高度和横向位移的目的；2.本发明通过直接对PDC刀具齿体温度的监测与控制，实现了PDC齿齿体温度控制，比传统的环境温度控制更加精确可靠；3.设计了PDC齿破岩排屑装置，可有效清除PDC破岩磨损试验过程中产生的大量岩屑。
附图说明
图1为本发明一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置结构示意图；
图2为本发明PDC齿横移机构示意图；
图3为本发明温度测控装置示意图；
图4为本发明岩石旋转机构示意图；
图5为本发明排屑装置示意图；
图6为本发明微型动力端示意图；
图7为本发明PDC齿夹具示意图；
图8为本发明岩石夹具结构示意图；
图9为本发明垫块视图；
图10为本发明固定底盘视图；
图中：1.电机；2.液压动力源；3.下支撑架；4.左液压缸；5.左导向加载块；6.微型动力端；7.左导向柱；8.上支撑架；9.PDC齿横移机构；10.右导向柱；11.右导向加载块；12.温度测控装置；13.右液压缸；14.岩石旋转机构；15.排屑装置；16.减速箱；17.横向导向柱；18.PDC齿夹具；19.丝杠；20.PDC刀具齿；21.加热丝；22.水冷管；23.红外线温度测试仪；24.岩石夹具；25.固定底盘；26.推力球轴承；27.垫块；28.集水槽；29.排屑管；30.固定座；31.环形槽；32.连接环；33.传动孔；34.焊接块；35.控制端；36.导向孔；37.齿槽；38.销钉孔；39.螺纹孔；40.凸台；41.沉孔；42.圆筒；43.螺纹孔；44.平面端；45.曲面端；46.倒T型槽；47.环形槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置，包括电机1、液压动力源2、下支撑架3、左液压缸4、左导向加载块5、微型动力端6、左导向柱7、上支撑架8、PDC齿横移机构9、右导向柱10、右导向加载块11、温度测控机构12、右液压缸13、岩石旋转机构14、排屑装置15、减速箱16；所述PDC齿横移机构9由横向导向柱17、PDC齿夹具18、丝杠19和PDC刀具齿20构成；所述温度控制机构12由加热丝21、水冷管22、红外线温度测试仪23组成；所述岩石旋转机构14由岩石夹具24、固定底盘25、推力球轴承26和垫块27组成；所述排屑装置15由集水槽28、排屑管29，固定座30和环形槽31组成。
如图1所示，所述电机1螺纹紧固在下支撑架3内，液压动力源2焊接在下支撑架3内，为左液压缸4和右液压缸13提供动力；所述左液压缸4与下支撑架3螺纹连接，左液压缸4上端与左导向加载块5紧固；左导向加载块5与左导向柱7间隙配合，左导向柱7为左导向加载块5的运动提供导向作用；左导向柱7上端与上支撑架8螺纹连接；上支撑架8焊接在下支撑架3上；右导向柱10上端与上支撑架8连接，下端与下支撑架3连接，右导向柱10与右导向加载块11间隙装配；所述右液压缸13与下支撑架3螺纹连接，右液压缸13上端与右导向加载块11紧固；所述的减速箱16安装在下支撑架3内，减速箱16连接着推力球轴承转子26和电机1，起传递动力以及减速作用。
如图2、图6和图7所示，微型动力端6的连接环32与左导向柱7间隙配合，焊接块34与左导向加载块5焊接，微型动力端6通过传动孔33与丝杠19连接，并为丝杠提供旋转动力；PDC齿夹具18的齿槽37内安装有PDC刀具齿20，靠销钉孔38与PDC刀具齿20销钉连接，螺纹孔39与丝杠19螺纹连接，导向孔36与横向导向柱17间隙配合；所述丝杠19和横向导向柱17安装在左导向加载块5和右加载块11之间。
如图3所示，加热丝21、水冷管22、红外线温度测试仪23均安装在PDC齿夹具18上，加热丝21包围在PDC刀具齿20外侧；水冷管22末端正对PDC刀具齿20齿面；红外线温度测试仪23用于PDC刀具齿20齿体温度的测试。
如图4、图8、图9和图10所示，所述岩石夹具24的圆筒42内装有圆柱形岩石，圆筒42底端连接有沉孔41，沉孔41与固定底盘25螺栓连接，圆筒42四周均匀布置有四个凸台40；垫块27上开有螺纹孔43，螺纹孔43的中心线和凸台40的中心线重合，垫块27的平面端44与岩石完全贴合，垫块27的曲面端45与圆筒42完全贴合，螺钉穿过凸台40和垫块27紧固圆柱形岩石；所述固定底盘25上开有倒T型槽46和环形槽47，倒T型槽46和沉孔41间螺栓连接，固定底盘25和推力球轴承26紧固。
如图5所示，排屑装置15上的固定座30与下支撑架3螺纹连接，排屑装置15内有集水槽28，外侧安装有排屑管29，排屑装置15内侧开有环形槽31，环形槽47和环形槽31之间安装有O型密封圈。
结合附图1-10，本发明一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置的工作原理为：
本发明一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置共有三个主要功能：PDC齿刮切岩石功能、温度测控功能和岩屑清理功能。PDC齿刮切岩石功能靠圆周运动和直线运动的复合实现；电机1通过减速箱16和推力球轴承26将转动能传递给岩石旋转机构14，岩石旋转机构14带动岩石夹具24内的岩石做圆周运动；同时微型动力端6可带动丝杠19旋转，进而实现PDC刀具齿20的横向移动；液压动力源2为左液压缸4和右液压缸13提供液压动力，左液压缸4和右液压缸13带动左导向加载块5和右导向加载块11上下运动，进而实现PDC刀具齿20的纵向载荷施加以及纵向移动；微型动力端6上的控制端35可对PDC刀具齿的横向移动和纵向移动参数进行调整和监测。温度测控功能通过加热丝21、水冷管22和红外线温度测试仪23实现；红外线温度测试仪23用于PDC刀具齿20齿体温度的监测；温度过高时，水冷管22末端正对PDC刀具齿20齿面喷射冷却液，实现PDC刀具齿20齿体的快速冷却；温度过低时，包裹在PDC刀具齿20周围的加热丝21对齿体进行直接加热。PDC刀具齿20刮切岩石产生的岩屑由冷却液携带，流向岩石夹具24外侧，经固定底盘25流入集水槽28，后经排屑管29排出；其中固定底盘25和排屑装置15之间靠环形槽47和环形槽31间的O型密封圈密封，防止岩屑和冷却液进入推力球轴承26内部。

Claims (6)

1.一种用于模拟PDC齿载荷温度耦合磨损的实验装置，其特征在于，该装置包括电机(1)、液压动力源(2)、下支撑架(3)、左液压缸(4)、左导向加载块(5)、微型动力端(6)、左导向柱(7)、上支撑架(8)、PDC齿横移机构(9)、右导向柱(10)、右导向加载块(11)、温度测控机构(12)、右液压缸(13)、岩石旋转机构(14)、排屑装置(15)、减速箱(16)；所述PDC齿横移机构(9)由横向导向柱(17)、PDC齿夹具(18)、丝杠(19)和PDC刀具齿(20)构成；所述温度控制机构(12)由加热丝(21)、水冷管(22)、红外线温度测试仪(23)组成；所述岩石旋转机构(14)由岩石夹具(24)、固定底盘(25)、推力球轴承(26)和垫块(27)组成；所述排屑装置(15)由集水槽(28)、排屑管(29)，固定座(30)和环形槽(31)组成。
2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述电机(1)螺纹紧固在下支撑架(3)内，液压动力源(2)焊接在下支撑架(3)内，为左液压缸(4)和右液压缸(13)提供动力；所述左液压缸(4)与下支撑架(3)螺纹连接，左液压缸(4)上端与左导向加载块(5)紧固；左导向加载块(5)与左导向柱(7)间隙配合，左导向柱(7)为左导向加载块(5)的运动提供导向作用；左导向柱(7)上端与上支撑架(8)螺纹连接；上支撑架(8)焊接在下支撑架(3)上；右导向柱(10)上端与上支撑架(8)连接，下端与下支撑架(3)连接，右导向柱(10)与右导向加载块(11)间隙装配；所述右液压缸(13)与下支撑架(3)螺纹连接，右液压缸(13)上端与右导向加载块(11)紧固；所述的减速箱(16)安装在下支撑架(3)内，减速箱(16)连接着推力球轴承转子(26)和电机(1)，起传递动力以及减速作用。
3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述微型动力端(6)的连接环(32)与左导向柱(7)间隙配合，焊接块(34)与左导向加载块(5)焊接，微型动力端(6)通过传动孔(33)与丝杠(19)连接，并为丝杠提供旋转动力；所述PDC齿夹具(18)的齿槽(37)内安装有PDC刀具齿(20)，靠销钉孔(38)与PDC刀具齿(20)销钉连接，螺纹孔(39)与丝杠(19)螺纹连接，导向孔(36)与横向导向柱(17)间隙配合；所述丝杠(19)和横向导向柱(17)安装在左导向加载块(5)和右加载块(11)之间。
4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述加热丝(21)、水冷管(22)、红外线温度测试仪(23)均安装在PDC齿夹具(18)上，加热丝(21)包围在PDC刀具齿(20)外侧；水冷管(22)末端正对PDC刀具齿(20)齿面；红外线温度测试仪(23)用于PDC刀具齿(20)齿体温度的测试。
5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述岩石夹具(24)的圆筒(42)内装有圆柱形岩石，圆筒(42)底端连接有沉孔(41)，沉孔(41)与固定底盘(25)螺栓连接，圆筒(42)四周均匀布置有四个凸台(40)；垫块(27)上开有螺纹孔(43)，螺纹孔(43)的中心线和凸台(40)的中心线重合，垫块(27)的平面端(44)与岩石完全贴合，垫块()27的曲面端(45)与圆筒(42)完全贴合，螺钉穿过凸台(40)和垫块(27)紧固圆柱形岩石；所述固定底盘(25)上开有倒T型槽(46)和环形槽(47)，倒T型槽(46)和沉孔(41)间螺栓连接，固定底盘(25)和推力球轴承(26)紧固。
6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，排屑装置(15)上的固定座(30)与下支撑架(3)螺纹连接，排屑装置(15)内有集水槽(28)，外侧安装有排屑管(29)，排屑装置(15)内侧开有环形槽(31)，环形槽(47)和环形槽(31)之间安装有O型密封圈。
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