關于金剛石鉆頭唇面的合理接觸壓力分布

研制新型人造金剛石孕鑲鉆頭時，不能不研究軸向力在工作面金剛石間的分布問題。通過對該問題的調(diào)研可知，目前人們對于軸向力如何影響金剛石在鉆進過程中的壽命問題還研究得很不夠。作者曾提出一些基本假設，來詳細評價和研究金剛石鉆探工具與巖石的相互接觸作用:

(1)考慮到鉆探工具中心部分和圓周部分破碎孔底巖石的條件有明顯差異，所以在鉆進過程中軸向載荷將沿破巖工具工作端面重新分配，使遠離鉆頭中心的地方軸向比載荷下降。

(2)在金剛石孕鑲鉆頭工作過程中，軸向載荷不是沿整個含金剛石的胎體表面分布，而是在那些已從胎體中出刃，且出刃一樣高的金剛石上重新分配。

(3)當鉆進過程中出現(xiàn)脆性破壞和研磨磨損時，對金剛石壽命起主要影響的是分配在一粒金剛石上實際軸向力的大小，尤其是使用人造金剛石的情況下該影響更為顯著。

(4)鉆頭胎體表面實際軸向力的分布特性既取決于所鉆巖石的性質(zhì)和所用的鉆進規(guī)程，又取決于胎體的基本結(jié)構(gòu)參數(shù):工作端剖面，扇形塊數(shù)量和沖洗水口的結(jié)構(gòu)。

考慮到上述情況，可提出計算單粒金剛石上分配的軸向比載荷的公式:

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

其條件是

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:Po為鉆進中在鉆頭工作端金剛石上作用的軸向載荷值;Re，Ri分別為鉆頭胎體的外半徑和內(nèi)半徑;r為瞬時半徑;nv為沖洗水口的個數(shù);Pyi為與金剛石平均粒徑對應的巖石壓入硬度;Pp.m.i為當加熱至t=1150℃時金剛石顆粒上可能出現(xiàn)的破壞載荷;a，b為取決于鉆頭結(jié)構(gòu)的常量。

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:φe，φi分別為沖洗水口的坐標角(圖7－7);Z為金剛石顆粒在胎體工作端面的密度:

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

βP(ti)為由公式確定的金剛石利用系數(shù):

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:kp為巖石破碎系數(shù);Po為鉆進中金剛石鉆頭工作端面上的軸向載荷;Py為巖石的硬度;dcn為金剛石顆粒尺寸的加權(quán)平均值;ka為考慮金剛石顆粒形狀的系數(shù);B為考慮鉆頭工作端剖面形狀的系數(shù);Sn為平底鉆頭胎體表面積;K為鉆頭胎體中人造金剛石的體積濃度;hb為金剛石突出于胎體的高度h( );N為1克拉金剛石顆粒的數(shù)量;Dcp為鉆頭胎體的平均直徑;m為含金剛石胎體扇形塊的數(shù)量;ln為在鉆頭平均直徑處沖洗水口的寬度。

圖7－7 沖洗水口的形式

基于上述假設并注意到，金剛石在胎體上凸出高度的分布特征與鉆進中金剛石受到的軸向力分布特征相關?？梢缘贸鼋Y(jié)論，出刃最高的金剛石承受的載荷比其他金剛石高幾十倍，而且很快被破壞。如果保證金剛石在胎體上的出刃更均勻，則可延長金剛石鉆頭的壽命。

在鉆頭工作過程中，金剛石顆粒在鉆頭工作端面上形成的是不連續(xù)的切削刃。當然在不同工作階段只是部分金剛石顆粒露出來，其最大的出刃高度和平均出刃高度取決于金剛石粉料的質(zhì)量、鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆進規(guī)程和所鉆巖石的物理力學性質(zhì)。

回轉(zhuǎn)鉆進中金剛石的工作能力在很大程度上取決于其能否承受大的彎曲應力?？紤]到金剛石的抗彎強度明顯低于抗壓強度，我們就可確定最大出刃的臨界值。

當單粒金剛石在軸向載荷和回轉(zhuǎn)運動作用下切入巖石時，沿孔底半無限體表面的彎曲應力為

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:Mu為作用在單粒金剛石切削刃上的彎矩，N·m;W為抗彎截面系數(shù)，m3。

這時Mu可由下式求出:

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:fT為金剛石與巖石的摩擦系數(shù);Ha為金剛石在胎體上出刃值，m;Za為考慮凸出于胎體并參與破碎巖石的有效金剛石顆粒數(shù)量的系數(shù):Za=0.17～0.20。

(7－25)式的部分

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

就是使金剛石切入深度ha所需加在單顆金剛石上的軸向載荷Pa。

確定軸向載荷Pa的公式有

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:Θ為巖石常數(shù)，Θ=(1－μ2)/E，m2/N;μ為泊桑系數(shù);σp為巖石抗拉強度極限，Pa;E為巖石彈性模量，Pa。

把(7－26)式代入(7－27)式，由(7－25)式可得

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

假設，鉆頭上金剛石的基本形狀是球形。于是，最大出刃高度的金剛石顆?？箯澖孛嫦禂?shù)W為

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:Jx為慣性矩，m4。

把(7－28)式和(7－29)式代入(7－24)式得到

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

按(7－30)式，金剛石受彎時(破碎巖石時金剛石被剪斷的情況除外)強度極限應符合下述條件:

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:ψ為抗彎強度極限和抗壓強度極限相互耦合的系數(shù)，ψ=0.1～0.25;σb為金剛石的抗壓強度極限，Pa;PpH為在金剛石顆粒上的破壞載荷，N;Sa為金剛石顆粒的橫截面面積，m2;KTn為人造金剛石的熱強度系數(shù)

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:PpH(Tou)為金剛石顆粒被加熱到鉆頭制造溫度之后，承受的破壞載荷，N;PpH(Tooc)為金剛石顆粒未被加熱(室溫)時的破壞載荷，N。

對比(7－30)式和(7－31)式，變換之后得出確定金剛石在胎體上最大出刃值的表達式

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

由(7－33)式可以看出，鉆頭工作端金剛石的最大出刃高度取決于其強度和尺寸。在這個條件下，取決于所鉆巖石物理力學性質(zhì)及軸向載荷的切入深度ha值與金剛石在胎體的最大出刃高度成反比。

當確定單個金剛石顆粒切入巖石深度ha時，必須注意保證鉆進過程中巖石處于體積破碎

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:Pa為單個金剛石顆粒上的載荷，N;Ska為巖石破碎過程中金剛石與巖石的接觸面積，m2。

鉆頭在孔底回轉(zhuǎn)時，金剛石與巖石接觸僅是其前半球表面的部分。在這種情況下Ska可寫為

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:Ra為金剛石顆粒的半徑，mm。

把(7－26)式和(7－35)式代入(7－34)式，變換后得到

人造金剛石超硬材料在鉆探中的應用

式中:N為每克拉金剛石顆粒的數(shù)量，粒;K為胎體中的金剛石相對濃度。

由(7－36)式可見，金剛石切入巖石的深度取決于鉆頭軸向載荷，巖石的物理力學性質(zhì)(壓入硬度)，胎體中金剛石的粒度和濃度。

分析(7－28)、(7－33)和(7－36)式可以看出，軸向載荷作為主要參數(shù)的一般規(guī)律，軸向載荷增大一方面可提高巖石破碎效果，但另一方面也會增大比接觸載荷的切向分量，同時使金剛石在胎體出刃量下降。

由此，可以確定鉆進參數(shù)對鉆頭胎體磨損強度和金剛石出刃高度的影響。曾安排在斯堪的納花崗巖中的鉆進試驗，在維持恒定機械鉆速的條件下鉆進參數(shù)組合如表7－8所示。

表7－8 鉆頭在恒機械鉆速(1.6m/h)和不同轉(zhuǎn)速與每轉(zhuǎn)進尺量條件下的鉆進結(jié)果

隨著破碎強度增長，破碎巖石的體積(即相同轉(zhuǎn)速條件下的每轉(zhuǎn)進尺)也增大，從而使鉆頭工作端下面的巖屑濃度增大，并惡化鉆頭的冷卻條件。在這種情況下，隨著軸向載荷增大而增長的比接觸載荷強化了鉆頭與巖石的摩擦力。上述分析表明，隨著每轉(zhuǎn)進尺、破巖體積增大，單位體積破碎功也增大，這就證明供給孔底的機械能利用效率變低了。

在這種情況下，大量的機械能消耗于克服金剛石層工作表面與巖石和巖屑的摩擦力。機械能變成了熱能，并引起鉆頭與孔底接觸處的溫升。

因為金剛石胎體中的最大出刃高度不會超過顆粒直徑的1/3～1/2，也就是說實際出刃是很小的，又由于巖石破碎強度和破碎體積增大進一步提高了巖屑的濃度，所以促使巖屑積累在孔底區(qū)域，它們與胎體表面的接觸量大增，結(jié)果導致磨損強度增長。摩擦力和溫度增長，促進與巖石接觸的金剛石刃部顯微硬度下降，從而引起它們急劇龜裂和剪斷。因此，金剛石的出刃高度下降，胎體和孔底間的間隙減小又進一步促使巖屑積累。

這樣一來，為了追求機械鉆速采用高軸向載荷時，由于巖石破碎的切向力分量增長使金剛石顆粒剪斷，將導致金剛石在胎體上的最大出刃量下降。與此同時，鉆頭工作端的比載荷增大，同樣惡化了孔底接觸區(qū)巖屑的清潔，促進摩擦力增大，破壞了鉆頭的正常工作狀態(tài)，并過渡到臨界狀態(tài)，從而將極大地增加鉆頭胎體磨損。