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1、第30卷第6期2008年12月宜春学院学报Journal of Yichun CollegeVoL30, No. 6Dec. 2008用有限元法实现镶齿牙轮钻头压齿力大小的计算朱伟鑫S涂小芳舄李细荣S徐延金'(I.江西飞龙钻头制造有限公司，江西 宜春 336000； 2.宜春学院理工学院，江西 宜春 336000)摘 要：厘齿牙轮钻头牙齿与牙轮亮体的联结是用一定大小的压齿力将牙齿压入牙轮內孔中，并通过过盈 童的配合来保证的。关于压齿力的计算方法未见有关文献进行公开报道过，目前压齿力大小的M定方法一般是初 定一经脸值，通过实验不斯调挞来确定最终所用的压齿力。本文采用有限元法来进行压齿力大
2、小的计算.并与实 际压齿力进行比较，验证了该方法的可行性。关键词：牙轮钻头；有限元；压齿；力中图分类号:TH13文献标识码：A文章编号：1671 -380X(2008)06-0046-03 46 第30卷第6期2008年12月宜春学院学报Journal of Yichun CollegeVoL30, No. 6Dec. 2008 46 第30卷第6期2008年12月宜春学院学报Journal of Yichun CollegeVoL30, No. 6Dec. 20081问题的提出镶齿牙轮钻头在钻井过程中，受冲击、重载的随机工 作负荷.其所受的力通过牙轮直接传递到牙轮体上的。牙 齿与牙轮壳体的联
3、结，是用一定大小的压齿力将牙齿压入 牙轮体内孔中，并通过过盈量的配合来保证的。不同的过 盈世，将齿完全压入到牙轮体齿孔内所用的压齿力是不同 的。因此，正确地计算不同过盈量下的压齿力，对钻头的 结构设计，具冇十分重要的意义。目前饿齿牙轮钻头在确定牙轮与牙轮体过盈量后，对 压齿力大小的确定，通常是根据经验值，用实验的方法来 确定的，还没有形成完整的理论依据，因此相对应压齿力 大小的计算目前也未见有文献进行公开报道过，而实验法 周期长代价奇，待别是对不同规格型号的钻头，其过盈 虽又不同，如果确定每一不同类钻头的压齿力都采用实验 的方法，这样就要住设计的过盈也围内，进行一系列巫 复实验并通过统计分析才
4、能确定合适的压齿力大小.其工 作鈕之大及产品设计周期长是可以想象的。针对这个问题， 本文利用冇限元法.以81/2XHP3型钻头为例，按牙轮内 孔与牙齿过盈最大小分别为0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08mm进行了压齿力的计算并与实际压齿力进行比较， 验证了该方法的可行性。2有限元方法的理论齿孔过盈的装配，从材料力学角度来看，就视为大位 移问题，在有限元中是一个非线性问题。为保证计算的可靠性，牙轮体及牙齿材料采用实际测 量值，不作任何简化。对于非线性问题，增址形式的有限元控制方程为：K UC/| =Ft(1)式中：K-増览刚度矩阵U(/| 增位位移阵列|F| 节点等效力矢凤如
5、果某些节点位移增量被指定，则(1)式的右端项应 减去一等效戟荷：K85,其中AUP为指定节点位移阵列，它是在已知位移增诫的节点赋值。那么得到：K IAC7I = I鬥皿-|F|f- K AUP (2)(1)式和(2)式的本质是一样的。3压齿力计算的有限元模型31有限元模型受限于钻井的待殊要求，作为直接破岩的牙轮钻头体 积不大，其结构与形状也极复杂，这就使得在建立有限元 模型时相当困难。因此，我们根据牙轮钻头的结构及形状. 建立了一个简化的有限元模型。图1是某XHP3型钻头一牙轮剖视图.从大端往上数, 取第三齿圈的一个齿孔建立冇限元模型，如图2所示的整 个剖面的网格及节点，是采用4节点Plane
6、l82单元按自由 网格划分的结果。为加快计算的速度及便于网格的划分和 自动生成，根据牙轮的几何结构作了如下简化：图1牙轮剖视图图2有限元模型1)从一号牙轮的纵剖面图(图1)上看，齿孔所在的 位豊为梯形凸台.我们以齿孔屮心线到凸台上边缘距离为 半径，取一等厚壁圆筒结构来代替这个梯形凸台的上部。 46 第30卷第6期2008年12月宜春学院学报Journal of Yichun CollegeVoL30, No. 6Dec. 2008 46 第30卷第6期2008年12月宜春学院学报Journal of Yichun CollegeVoL30, No. 6Dec. 2008收積日期：2008-11 -17基金项目：江西省教育厅产学研合作项目.项目编号：GJJ09006。作者简介朱伟鑫(1969-),男.江西于都人.工程师.本科.主要从事钻头品质分析与研究。 46