CN206256883U - 一种宽顶加强齿 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于石油、地质钻探镶齿牙轮钻头或具有牙轮结构的钻头或破岩工具用的牙齿,能有效提高现有较宽牙齿的强度。其技术方案是:一种宽顶加强齿,包括齿柱和齿冠,所述齿冠呈扁楔形,齿冠在齿宽方向的两侧的斜角α1和α2的范围是0°≤α1≤10°,0°≤α2≤10°,且齿冠在齿厚方向设有加强筋。这种牙齿具有齿刃宽度大,且强度高,不易折断的特点,有助于增大牙齿对井底岩石的损伤作用区域,进而提高钻头的破岩效率。

Description

一种宽顶加强齿
技术领域
本实用新型涉及一种用于石油、地质钻探镶齿牙轮钻头或具有牙轮结构的钻头或破岩工具用的牙齿。
背景技术
钻头牙齿的结构是影响钻头钻进效率的关键因素之一。在现有技术中,镶齿牙轮钻头及具有牙轮结构的钻头常用的牙齿齿型(或“齿形”)有勺形齿、楔形齿、锥球齿、球形齿等。针对不同的地质条件,应使用不同齿型的牙齿(也可称切削齿),以提高钻头对地层的适应性。
现有技术中,用于镶齿牙轮钻头或具有牙轮结构的钻头或破岩工具上的牙齿的下部齿柱部分为圆柱形,上部齿冠部分由下部圆柱向牙齿轴线逐渐收缩过渡,多为楔形或锥形,牙齿的齿顶宽度均明显小于下部齿柱部分的直径,以形成较尖锐的冲击头部。在矿山、油田钻头用硬质合金齿的中华人民共和国国家标准(GB/T2527-2008)中,规定的全部齿型中牙齿的两侧斜角均大于等于13°(如两侧斜角最小的楔型齿和勺形齿的斜角均大于等于13°,其他齿型的两侧斜角均明显大于13°),牙齿的齿顶宽度小。牙轮钻头以冲击压碎方式破碎岩石,即牙齿通过对岩石的冲击、挤压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石,其缺点是能量利用率不高,破岩效率较低,且钻头工作过程中,轴承受到的冲击大,动载系数大。
针对硬地层钻进,本领域技术人员提出了一种大宽度硬质合金横镶牙齿(参考专利:一种盘式镶齿牙轮钻头,专利申请号:CN201310063619.2)。该牙齿的齿刃宽度大,齿刃尖锐易于侵入岩石,将其横向镶装到钻头的牙轮上,牙齿将以滚动碾压、劈裂的方式作用于井底岩石,以接近于静压的方式压碾、劈裂破岩,牙齿受的动载小,特别适合于硬脆性岩层的钻进。但其强度较低,工作时易出现断齿、碎齿现象。
发明内容
本实用新型的目的是为了有效提高现有较宽牙齿的强度,提供一种宽顶加强齿,这种牙齿具有齿刃宽度大强度高等优点。
为了达到上述目的,本实用新型采用以下技术方案:一种宽顶加强齿,包括齿柱和齿冠,其特征在于:所述齿冠呈扁楔形,齿冠在齿宽方向的两侧的斜角α1和α2的范围是0°≤α1≤10°,0°≤α2≤10°,且齿冠在齿厚方向的至少一个侧面设有加强筋。
本专利宽顶加强齿的主要参数有宽顶加强齿的齿高H、齿冠高度h、齿柱高度h’、加强筋顶端距齿顶的高度h1、宽顶加强齿在齿厚方向的齿顶轮廓线的过渡半径R及齿冠在齿宽方向的两侧的斜角α1和α2(参考图1、图2所示)。
宽顶加强齿的齿高H是指宽顶加强齿的总高度,齿冠高度h是指宽顶加强齿冠部的高度,齿柱高度h’是指宽顶加强齿齿柱的高度,其中H=h’+h。宽顶加强齿的齿宽是指宽顶加强齿的齿顶区域在垂直于宽顶加强齿轴线的平面内的最大横向尺寸,宽顶加强齿的齿厚是指宽顶加强齿齿顶区域在垂直于宽顶加强齿宽度方向上的最大横向尺寸。宽顶加强齿在齿厚方向的齿顶轮廓线的过渡半径R及齿冠在齿宽方向的两侧的斜角α1和α2是表征宽顶加强齿横向尺寸的两个重要参数。宽顶加强齿的齿顶轮廓线的过渡半径R越小,宽顶加强齿的厚度越小;宽顶加强齿两侧的斜角α1和α2越小,宽顶加强齿的宽度越大。宽顶加强齿宽度越大且厚度越小,宽顶加强齿越锋利,越容易吃入岩石,但也越容易发生强度失效。
冠顶位置线是指过宽顶加强齿在齿厚方向的齿顶轮廓线的中心点且沿齿高方向的线。齿柱的横截面的中心线是指过齿柱的横截面的几何中心且沿齿高方向的线。对于轴对称或旋转对称结构的齿柱,齿柱的横截面的中心线即是齿柱的中心轴线。
齿顶偏转角是指齿顶线(平行于宽顶加强齿的齿顶宽度方向,通过齿顶最高点或最高区域的中心,且与宽顶加强齿轴线相垂直的直线)与宽顶加强齿所在牙轮的轮锥母线的夹角g(如图3所示),一般指齿顶线与轮锥母线所成的锐角或直角。本说明书中规定:从齿顶沿宽顶加强齿轴线方向向牙轮体看,齿顶线相对牙轮的轮锥母线逆时针偏转时为正偏转,反 之则为负偏转。现有大多数牙轮钻头牙轮上的宽顶加强齿的齿顶无偏转(即齿顶偏转角g为0°),或有少量钻头的部分齿圈的宽顶加强齿齿顶有偏转,偏转角g一般在50°以内。当偏转角g范围在70°≤|g|≤90°中时,宽顶加强齿为横镶宽顶加强齿,当横镶的宽顶加强齿与非横镶的宽顶加强齿位于同一个牙轮上时,两种镶嵌方式的宽顶加强齿将各自发挥不同的破岩机理作用,及其两种不同破岩方式的协同作用。图4所示的复合钻头与图5所示的三牙轮钻头均采用本专利一种宽顶加强齿以偏转角g=90°的方式横向镶装于钻头的牙轮上。
本实用新型与现有技术相比,其有益效果是:
1、本专利宽顶加强齿的齿冠呈扁楔形,齿冠在齿宽方向的两侧分别有斜角α1和α2,其中斜角范围是0°≤α1≤10°,0°≤α2≤10°,宽顶加强齿的齿刃宽度大,有助于增大宽顶加强齿对井底岩石的损伤作用区域,进而提高钻头的破岩效率;且宽顶加强齿的齿冠在齿厚方向的至少一个侧面设有加强筋,因此宽顶加强齿具有强度高、不易折断的优点。而且加强筋的设置将明显提高宽顶加强齿的耐磨性。
2、宽顶加强齿齿冠在齿厚方向的侧面设有加强筋,提高了齿刃部分的强度,宽顶加强齿承受冲击载荷的能力进一步增强,有较强的抗断齿能力,宽顶加强齿及钻头的使用寿命长。
3、宽顶加强齿吃入地层后,加强筋的存在会对齿侧岩石产生挤压作用,促使岩石内部微裂纹的产生和扩展,产生扩张效应,使岩石表面更容易崩裂破碎。
4、宽顶加强齿齿刃宽度大,则宽顶加强齿刮切时扫过的面积较大,刮切破岩的效果更明显。
5、本实用新型宽顶加强齿可为镶齿,因此可选择硬度及耐磨性较优的硬质合金牙齿,立方碳化硼齿,陶瓷齿,金刚石复合齿,聚晶金刚石复合齿,或是用金刚石或耐磨合金做表面加强的硬质合金齿、孕镶金刚石齿等。这些牙齿的耐磨性和硬度等均明显高于普通铣齿牙轮钻头的切削齿,本实用新型的切削齿寿命和钻头寿命将明显提高。该方案使得其在破岩方式具有明显优势的同时,进一步有利于对硬、极硬、研磨性地层和深井、小井眼的钻进。
6、采用本专利宽顶加强齿横向镶装到镶齿牙轮钻头或具有牙轮结构的复合钻头或破岩工具上时,牙轮同齿圈上相邻横镶牙齿之间的间隔大大减小,减小了齿圈的不连续性。对于每一横镶牙齿,及多个连续横镶牙齿的联合而言,其在井底的工作模式为近似纯滚动的碾压、劈裂,利用横镶牙齿对岩石的大的接触应力和挤压来破碎岩石,即以接近静压的方式压碾、劈裂破岩,能明显改善牙齿的受力状况和磨损,提高牙齿的寿命,特别适宜于在研磨性强的硬地层钻进。
作为选择,所述宽顶加强齿在齿宽方向的齿顶轮廓线为直线形、圆弧形或波浪形。
上述方案中,直线形的齿顶轮廓线有利于宽顶加强齿吃入岩石。圆弧形的齿顶轮廓线使得宽顶加强齿镶装到牙轮上后,齿圈的齿顶轮廓更接近于圆形,有利于齿圈牙齿以滚动碾压、劈裂的方式破碎岩石。波浪形的齿顶轮廓线可使牙齿对岩石产生较大的局部接触应力,进而使得岩石更容易发生崩裂破碎,提高破岩效率。齿顶轮廓线为波浪形时,波浪形可以由直线段与圆弧连接形成,也可以由多段圆弧连接形成。
作为选择,所述宽顶加强齿在齿厚方向的齿顶轮廓线的过渡半径R≤1.5mm。
上述方案中,宽顶加强齿在齿厚方向的齿顶轮廓线的过渡半径小,齿厚较薄,齿刃尖锐,使得宽顶加强齿易于侵入岩石。
作为选择,所述加强筋顶端相距齿顶的高度小于等于齿冠高度的一半。
作为优选,所述加强筋顶端与齿顶齐平。
上述方案中,宽顶加强齿的加强筋顶端相距齿顶的高度小于等于齿冠高度的一半,才能有效提高宽顶加强齿的强度。
作为选择,所述齿柱的横断面的长度和宽度不相等。作为优选,所述齿柱的横断面为椭圆形。
上述方案中,所述齿柱的横断面为椭圆形,有利于宽顶加强齿齿柱的加工成型和牙轮上 相应齿孔的加工,椭圆形齿孔也便于实现现代数字机加工,加工可操作性强。同时,当齿柱的长度增加时,宽顶加强齿的齿宽可以进一步加大,有助于增大宽顶加强齿对岩石的损伤作用区域。
作为选择,所述齿柱的横断面为椭圆形,且宽顶加强齿在齿宽方向的齿顶轮廓线为波浪形。
上述方案中,齿柱的横断面为椭圆形,使得宽顶加强齿的齿宽可以进一步加大;同时波浪形的齿顶轮廓线可提高宽顶加强齿与岩石互作用时的局部应力,使得岩石更容易产生崩裂破碎。
作为选择,所述宽顶加强齿的冠顶位置线与齿柱的横截面的中心线不重合。
上述方案中,将宽顶加强齿镶装到牙轮上接近规径的区域,宽顶加强齿的齿侧将与井壁岩石产生互作用,宽顶加强齿的冠顶位置线与齿柱的横截面的中心线有偏移,可提高宽顶加强齿齿侧的耐磨性。
作为选择,所述宽顶加强齿用于镶齿牙轮钻头或具有牙轮结构的钻头或破岩工具。
作为选择,所述宽顶加强齿偏转镶装在钻头的牙轮上,偏转角g的范围:0°≤|g|≤20°或70°≤|g|≤90°。
上述方案中,由于宽顶加强齿的宽度大,当宽顶加强齿以0°≤|g|≤20°的偏转角度镶装到牙轮上时,宽顶加强齿刮切时扫过的面积较大,刮切破岩的效果更明显。当宽顶加强齿以70°≤|g|≤90°的偏转角度镶装到牙轮上时,牙轮同齿圈上相邻横镶牙齿之间的间隔大大减小,减小了齿圈的不连续性,牙齿以接近静压的方式压碾、劈裂破岩,能明显改善牙齿的受力状况和磨损,提高牙齿的寿命,特别适宜于在研磨性强的硬地层钻进。
作为选择,不同齿冠形状的宽顶加强齿可以组合布置在同一个牙轮上,且相邻宽顶加强齿的偏转角可不同。
上述方案中,不同齿冠形状或不同偏转角度的宽顶加强齿组合布置在同一个牙轮上,在工作中将各自发挥不同的破岩机理作用,及其多种不同破岩方式的协同作用。
作为选择,所述宽顶加强齿为硬质合金牙齿,立方碳化硼齿,陶瓷齿,金刚石复合齿,聚晶金刚石复合齿,或齿顶区域乃至齿冠表面用聚晶金刚石或耐磨合金做表面加强的复合材料牙齿等。
上述方案中,宽顶加强齿采用硬度及耐磨性较优的硬质合金齿,或齿顶区域乃至齿冠表面用聚晶金刚石做表面加强的复合材料牙齿,能明显提高牙齿的使用寿命。
作为优选,宽顶加强齿的加强筋的顶端与宽顶加强齿的齿冠轮廓相切或接近相切过渡,加强筋两侧与宽顶加强齿以较大半径的圆角过渡,且宽顶加强齿上所有的棱边均以较小半径的圆角过渡。
上述方案中,宽顶加强齿上所有的棱边均以圆角过渡,避免了宽顶加强齿上的应力集中,能有效提高宽顶加强齿的强度和使用寿命。
前述的所有方案中,前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案,均为本实用新型可采用并要求保护的方案;以及本实用新型的各非冲突选择之间以及和其他选择可以任意组合,本领域技术人员在了解本实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合,均为本实用新型所要保护的技术方案,在此不做穷举。
附图说明
图1是本实用新型一种宽顶加强齿在齿宽方向的结构示意图,图中对宽顶加强齿的齿高H、齿冠高度h、齿柱高度h’、宽顶加强齿的齿冠在齿宽方向的两侧的斜角α1和α2进行了说明。
图2是本实用新型一种宽顶加强齿在齿厚方向的结构示意图,图中对宽顶加强齿在齿厚方向的齿顶轮廓线的过渡半径R进行了说明。
图3是本实用新型宽顶加强齿的齿顶以较小偏转角(0°≤|g|≤20°)偏转镶装在牙轮上 的示意图。
图4是采用本实用新型宽顶加强齿偏转镶装在复合钻头的牙轮上的结构示意图(其中偏转角g=90°)。
图5是采用本实用新型宽顶加强齿偏转镶装在三牙轮钻头的牙轮上的结构示意图(其中偏转角g=90°)。
图6是本实用新型一种宽顶加强齿的齿顶在齿厚方向的轮廓线为圆弧形,且圆弧半径R=0.5mm的结构示意图。
图7是本实用新型一种宽顶加强齿的齿顶在齿厚方向的轮廓线为圆弧形,且圆弧半径R=1.5mm的结构示意图。
图8是本实用新型一种宽顶加强齿的齿顶在齿厚方向的轮廓线为直线形的示意图。
图9是本实用新型一种宽顶加强齿的齿顶在齿宽方向的轮廓线为圆弧形的结构示意图。
图10是本实用新型一种宽顶加强齿的齿顶在齿宽方向的轮廓线为由多段圆弧连接形成的波浪形的结构示意图。
图11是本实用新型一种宽顶加强齿的齿顶在齿宽方向的轮廓线为由直线段与圆弧连接形成的波浪形的结构示意图。
图12是本实用新型一种宽顶加强齿的加强筋顶端相距宽顶加强齿齿顶的高度h1为齿冠高度h的四分之一的示意图。
图13是本实用新型一种宽顶加强齿的齿柱的横断面为椭圆形的示意图。
图14是图13中齿柱的剖视图。
图15是本实用新型一种宽顶加强齿的齿柱的横断面为椭圆形,且宽顶加强齿在齿宽方向的齿顶轮廓线为波浪形的结构示意图。
图16是图15的俯视图结构示意图。
图17是本实用新型一种宽顶加强齿的齿冠在齿厚方向的两个侧面加强筋数量相等且对称放置时的结构示意图。
图18是本实用新型一种宽顶加强齿的齿冠在齿厚方向的两个侧面加强筋数量相等但间错放置时的结构示意图。
图20和图19是本实用新型一种宽顶加强齿齿冠在齿厚方向的两个侧面加强筋数量不相等的结构示意图。
图21是本实用新型一种宽顶加强齿的冠顶位置线与齿柱的横截面的中心线不重合的示意图。
图22是本发明一种宽顶加强齿的纵向剖视图,图中所述宽顶加强齿为齿顶区域表面用聚晶金刚石或耐磨合金做表面加强的复合材料牙齿。
图23是本发明一种宽顶加强齿的纵向剖视图,图中所述宽顶加强齿为齿冠表面用聚晶金刚石或耐磨合金做表面加强的复合材料牙齿。
图中:1.齿柱,2.齿冠,3.加强筋,4.冠顶位置线,5.齿柱的横截面的中心线,6.聚晶金刚石或耐磨合金。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本实用新型。
实施例1:
一种宽顶加强齿,包括齿柱1和齿冠2,所述齿冠2呈扁楔形,齿冠2在齿宽方向的两侧的斜角α1和α2的范围是0°≤α1≤10°,0°≤α2≤10°,且齿冠2在齿厚方向的至少一个侧面设有加强筋3(参考图1、图2所示)。作为选择,齿冠2在齿宽方向的两侧的斜角相等(即α1=α2)。作为优选,齿冠2在齿厚方向的两个侧面各设有一个加强筋3相对齿冠2对称 放置。作为选择,宽顶加强齿的齿顶在齿厚方向的轮廓线为直线形(参考图8所示)。作为选择,宽顶加强齿的齿顶在齿宽方向的轮廓线为直线形、圆弧形(参考图9所示)或波浪形,其中波浪形可以由多段圆弧连接形成(参考图10所示)或直线段与圆弧连接形成(参考图11所示)。作为选择,齿柱1的横断面为圆形。作为选择,所述宽顶加强齿可以为硬质合金牙齿,立方碳化硼齿,陶瓷齿,金刚石复合齿或聚晶金刚石复合齿,或齿顶区域表面用聚晶金刚石或耐磨合金6做表面加强的复合材料牙齿(参考图22所示),或齿冠2表面用聚晶金刚石或耐磨合金6做表面加强的复合材料牙齿(参考图23所示)。作为优选,所述宽顶加强齿的加强筋3的顶端与宽顶加强齿的齿冠2轮廓相切或接近相切过渡,加强筋3两侧与宽顶加强齿以较大半径的圆角过渡,且宽顶加强齿上所有的棱边均以较小半径的圆角过渡。
实施例2:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:所述宽顶加强齿的齿冠2在齿宽方向的两侧的斜角α1和α2的范围是0°≤α1≤5°,0°≤α2≤5°。作为选择,所述宽顶加强齿的齿冠2在齿宽方向的两侧的斜角相等且为0°(即α1=α2=0°),参考图18所示。
实施例3:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:所述宽顶加强齿的齿冠2在齿宽方向的两侧的斜角不相等(即α1≠α2),其中斜角α1和α2的范围是0°≤α1≤5°,5°≤α2≤10°。
实施例4:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:宽顶加强齿的齿顶在齿厚方向的轮廓线为圆弧形,且齿顶轮廓线半径R≤1.5mm。参考图6所示,齿顶轮廓线的过渡半径R=0.5mm。参考图7所示,齿顶轮廓线的过渡半径R=1.5mm。
实施例5:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:加强筋3顶端相距宽顶加强齿齿顶的高度h1小于等于齿冠高度h的一半。参考图12所示,宽顶加强齿的加强筋3顶端相距宽顶加强齿齿顶的高度h1为齿冠高度h的四分之一。作为优选,加强筋3顶端与宽顶加强齿齿顶齐平(即h1=0)。
实施例6:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:齿柱1的横断面的长度和宽度不相等。作为优选,所述齿柱1的横断面为椭圆形,参考图13、14所示。
实施例7:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:所述齿柱1的横断面为椭圆形,且宽顶加强齿在齿宽方向的齿顶轮廓线为波浪形,参考图15、图16所示。
实施例8:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:所述齿冠2在齿厚方向的两个侧面均设有加强筋3,其中两个侧面的加强筋3的数量相等且均≥2。作为选择,加强筋3对称放置,参考图17所示。作为选择,加强筋3间错布置,参考图18所示。
实施例9:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:所述齿冠2在齿厚方向的两个侧面上的加强筋3数量不相等。参考图19所示,齿冠2在齿厚方向的一个侧面设有加强筋3,另一个侧面没有加强筋3。参考图20所示,齿冠2在齿厚方向的两个侧面上均有加强筋3但数量不相等。
实施例10:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:宽顶加强齿的冠顶位置线4与齿柱1的横截面的中心线5不重合,参考图21所示。
实施例11:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:宽顶加强齿以一定的偏转角g偏转镶装到 牙轮上。作为选择,宽顶加强齿的偏转角g的范围为0°≤|g|≤20°,参考图3所示。作为选择,宽顶加强齿的偏转角g的范围为70°≤|g|≤90°。作为优选,当宽顶加强齿用于复合钻头或是镶齿牙轮钻头的牙轮上时,宽顶加强齿将以偏转角g=90°的方式横向镶装到牙轮上,参考图4、5所示。作为选择,宽顶加强齿在同一个牙轮上的偏转角g不同。作为选择,宽顶加强齿用于具有牙轮结构的破岩工具。
实施例12:
本实施例与实施例1基本相同,其区别在于:不同齿冠2形状的宽顶加强齿可以组合布置在同一个牙轮上,且相邻宽顶加强齿的偏转角g可不同。
需要强调的是:以上仅是本实用新型的较佳实施例而已,并非对本实用新型作任何形式上的限制,凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改,等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种宽顶加强齿,包括齿柱和齿冠,其特征在于:所述齿冠呈扁楔形,齿冠在齿宽方向的两侧的斜角α1和α2的范围是0°≤α1≤10°,0°≤α2≤10°,且齿冠在齿厚方向的至少一个侧面设有加强筋。
2.按权利要求1所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:所述宽顶加强齿在齿宽方向的齿顶轮廓线为直线形、圆弧形或波浪形。
3.按权利要求1所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:所述宽顶加强齿在齿厚方向的齿顶轮廓线的过渡半径R≤1.5mm。
4.按权利要求1所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:所述加强筋顶端距齿顶的高度小于等于齿冠高度的一半。
5.按权利要求1所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:所述齿柱的横断面的长度和宽度不相等。
6.按权利要求5所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:所述齿柱的横断面为椭圆形,且宽顶加强齿在齿宽方向的齿顶轮廓线为波浪形。
7.按权利要求1所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:所述宽顶加强齿的冠顶位置线与齿柱的横截面的中心线不重合。
8.按权利要求1所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:所述宽顶加强齿用于镶齿牙轮钻头或具有牙轮结构的钻头或破岩工具。
9.按权利要求8所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:所述宽顶加强齿偏转镶装在钻头或破岩工具的牙轮上,偏转角g的范围:0°≤|g|≤20°或70°≤|g|≤90°。
10.按权利要求1至9中任一权利要求中所述的一种宽顶加强齿,其特征在于:不同齿冠形状的宽顶加强齿可以组合布置在同一个牙轮上,且相邻宽顶加强齿的偏转角可不同。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106050147A (zh) * 2016-07-20 2016-10-26 西南石油大学 一种宽顶加强齿

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