牙轮钻头在井底破碎岩石过程中受顶部钻压、自身动载荷以及井底接触岩石的随机冲击碰撞作用,存在牙齿与岩石交替压入、刮切和滚动的运动状态,受力情况相当复杂。基于岩石弹塑性本构关系和等效塑性应变的岩石破坏准则,考虑井底围压以及钻头与岩石互作用随机接触碰撞,采用有限单元法建立了牙轮钻头与井底岩石互作用下系统非线性动力学模型。探讨了牙轮钻头在破碎井底岩石过程中的运动规律及力学性能,对岩石破碎坑的形成过程进行了仿真,为有效预测和控制井眼轨迹的形成,实态工况下整体钻柱系统耦合非线性动力学研究提供了理论依据。
根据偏心单牙轮钻头的几何结构和受载特点建立了有限元计算模型,利用有限元软件分析了偏心单牙轮钻头轴承的接触应力。针对偏心单牙轮钻头的不同偏心距和轴承间隙,重点分析了大径向轴承轴颈底部的接触应力及在相同偏心距和不同间隙条件下止推面上的接触应力。结果表明,止推面、滚道、轴颈根部是牙掌轴颈应力最大的3个危险区域;轴颈底部的接触应力随偏心距增大而增大,且在正常公差范围内的间隙变化对接触应力的影响不明显;止推面上端的接触应力比下端大,制造时应加强止推面上端的强度和硬度。
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