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牙輪鉆頭在井底破碎巖石過程中受頂部鉆壓、自身動載荷以及井底接觸巖石的隨機沖擊碰撞作用,存在牙齒與巖石交替壓入、刮切和滾動的運動狀態,受力情況相當復雜。基于巖石彈塑性本構關系和等效塑性應變的巖石破壞準則,考慮井底圍壓以及鉆頭與巖石互作用隨機接觸碰撞,采用有限單元法建立了牙輪鉆頭與井底巖石互作用下系統非線性動力學模型。探討了牙輪鉆頭在破碎井底巖石過程中的運動規律及力學性能,對巖石破碎坑的形成過程進行了仿真,為有效預測和控制井眼軌跡的形成,實態工況下整體鉆柱系統耦合非線性動力學研究提供了理論依據。
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根據偏心單牙輪鉆頭的幾何結構和受載特點建立了有限元計算模型,利用有限元軟件分析了偏心單牙輪鉆頭軸承的接觸應力。針對偏心單牙輪鉆頭的不同偏心距和軸承間隙,重點分析了大徑向軸承軸頸底部的接觸應力及在相同偏心距和不同間隙條件下止推面上的接觸應力。結果表明,止推面、滾道、軸頸根部是牙掌軸頸應力最大的3個危險區域;軸頸底部的接觸應力隨偏心距增大而增大,且在正常公差范圍內的間隙變化對接觸應力的影響不明顯;止推面上端的接觸應力比下端大,制造時應加強止推面上端的強度和硬度。
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