544 北京科技大学学报 2001年第6期 面积.假设钻头的切削刃刃数为m,由图1可得 进.其螺旋面前进的速度即为钻头的钻进速度 轴压力为： V.其理论值为： F,=m(R-Fcosa+F2)= D s nnmh (6) m(H.hbtga+uH.hbsinatgacosa+2uhb -o号g9-2m号各m驾n7m 1-4 其中，V为钻头的钻进速度：ω为钻杆的角速度； mH.hb(tgatusina+2 n为钻杆的转速；D为钻头的直径；m为钻头切削 1-4 (1) 水平切削力为： 刃刃数；h为压入深度.于是将(4)式代人(6)式中 F.=N-F,sina=2thb 可得钻进速度的理论表达式为： 1-μ +uH hbsinatgacosa= V.=a F, hhb(T女iwwtgc)) (2) 2 mHab(tgatusina+2uv(1-u inF, 其中，1=H为炮泥的抗剪切强度与压人硬度 2Hab(tga+usin'a+2u/(1-u)) (7) 的比值.由于水平切削力F是作用在整个切削 由(7)式可知：①当钻头，钻杆转速n及炮泥材料 刃上，要得到扭矩M,首先必须求得水平切削力 一定时，钻进速度V,与轴压力F成正比.②当钻 F的平均作用半径p.如图3所示，取切削刃上 头、轴压力F,以及炮泥材料一定时，钻进速度”， 微段z为研究对象，运用上面的分析方法，同样 与钻杆转速n成正比；而当扭矩M增加时，钻杆 可得出在微段止上的水平切削力为： 转速n会下降，则钻进速度y,也就随之减小，反 dR=hM2 yirap)d=号d, 之，当扭矩M,减小时，钻杆转速n会增加，则钻 进速度V,也就增加. 于是有： rpd,-号=Fb0-b, 1.3冲打对轴压、扭矩的影响分析 b 2 由前面的分析可知，要提高钻进速度可以 得平均作用半径为p=D,b 通过增加轴压力和降低扭矩的方法来实现.由 2 D (3)式可知要降低扭矩可以采取以下措施：①减 小钻头切削刃刃数m.但现场所用钻头切削刃 刃数m一般最少为2，无法再减小了.②降低炮 泥压入硬度H.但炮泥材料是由高炉生产决定 的，不能随意改变.③减小乐人深度h.这样虽然 可以降低扭矩，但由(6)式可知钻进速度也随着 压入深度的减小而降低.④减小钻头的直径D. 但这又受到出铁口尺寸的要求.⑤减小切削刃 刃角α.这样虽然可以降低扭矩，但钻头磨损更 图3水平切削力的作用半径 快，不经济. Fig.3 Radius for the cutting force(Z direction) 由此可知以上5种降低扭矩的方法都不可 则作用在切削刃上的扭矩为： 取.从增加轴压力来考虑，但由(5)式可知，当增 M.mF-m sinatga) 21 (3) 加轴压力时又会增大扭矩，也就很难提高钻进 速度，如何才能做到既能增加轴压力又能降低 此即为扭矩的理论表达式，为了得到扭矩 扭矩，本文认为在钻进过程中增加冲打可以实 与轴压力的关系，可根据(1)式解得压人深度h 现这一目的.因为在钻进过程中增加冲打时，轴 与轴压力的关系式为： 压力实际上是一种冲击力，这种冲击力比不冲 F h-mH.6(tga+usina+2u(1-M)) (4) 打的轴压力要大得多，它能够使接触应力瞬时 将(4)式代人(3)式可得： 达到极高值.这样，局部应力比较集中，还来不 M器3%RO2 (5) 及重新分配就达到了炮泥材料的强度极限值而 式(5)为扭矩理论表达式的另一种形式. 发生体积破碎，体积破碎时的摩擦因数低于表 1,2轴压、扭矩与钻进速度的关系 面破碎时的摩擦因数，这样，既能降低扭矩，提 由于钻头是在轴压力F,和扭矩M,的联合作 高钻进速度，又能降低钻头切削刃的磨损，提高 用下破碎炮泥的，因此孔底切削面呈螺旋面前 钻头的耐用度：另一方面，由于冲打钻进下的轴北 京 科 技 面 积 假设钻头 的切 削刃 刃 数为 ， 由图 可 得 轴压力 为 凡 一 凡 ” ” 、 · 、 拭‘ ” ·， · · 愕 ， ” ” “ · ” “ 水平切 削力 为 嚼 凡 一 、 名 一 鄂 从 。 从” ” ‘枷 ·‘ ， 大 学 学 报 年 第 期 进 其螺旋 面前进 的速度 即 为钻头 的钻进 速 度 其理论值为 ， 兀 代 ， · 斧 · 步 二 斧 · 一 “ 。 一 ’ 带视’ ‘ ’ 苦 黑兴 、 一 夕 其 中 ， 为钻头 的钻进速度 。 为钻杆 的角速度 为钻杆 的转速 为钻头 的直径 为钻头 切 削 刃 刃 数 为压人深度 于 是将 式代人 式 中 可 得钻进 速度 的理 论表达 式 为 一 粤 从 切 ， 知刀 一户 冗” 只 其 中 ， 又 刁坑 为炮泥 的抗剪切 强 度 与压 入硬度 的 比值 由于 水 平切 削力只 是作用 在整 个切削 刃 上 ， 要得 到扭矩从 ， 首先必须求得水平切 削力 尺 的平均作 用 半径 如 图 所示 ， 取切 削 刃 上 微段 为研究对象 ， 运 用 上 面 的分析方法 ， 同样 可 得 出在 微 段 上 的水平 切 削 力 为 拭 切 ， 知刀 一户 」 。 ， ， ， ， 又 二 ， 、 ， 。 只 厂 月 气万二下寸声 一 ’ 一万一 ’ ， 尸 “ 于 是 有 · 一 嵘产 一令嵘户 一 令 一 得平均作用 半径 为 一 圈 水 平切 削力 的作 用 半径 。 则作用 在切 削刃 上的扭矩 为 ， ， ， ， 又 二 ， 、 一 二 · 户 二 · 用月‘ 了二万 才 一 以 ’ 一万一 气 一尸 ‘ 此 即 为扭矩 的理 论表达式 ， 为 了得 到扭矩 与轴压 力 的关 系 ， 可 根 据 式解得压人深度 与轴压 力 的关系式 为 用从 切 ， 十 户又 一户 将 式代人 式 可 得 一川 从 双 。 一 ， 厂 。 一石一 砚〕 ， ‘ 式 为扭矩理论表达式 的另一 种形 式 轴压 、 扭矩与钻进速度的关 系 由于钻 头 是 在轴压力 和扭矩从 的联合作 用 下 破 碎炮 泥 的 ， 因此孔 底 切 削 面 呈 螺 旋面 前 由 式可 知 ① 当钻头 、 钻杆转 速 及炮泥 材料 一定 时 ， 钻进 速度 与轴压力凡成正 比 ② 当钻 头 、 轴压 力凡 以 及 炮泥材 料 一 定 时 ， 钻进速度 与钻杆转速 成正 比 而 当扭 矩 从 增加 时 ， 钻杆 转速 会下 降 ， 则钻进 速度 也 就 随之减 小 ， 反 之 ， 当扭矩从 减小时 ， 钻杆转速 会增加 ， 则钻 进速度 也 就增加 冲打对轴压 、 扭矩的影响分析 由前面 的分析 可 知 ， 要 提高钻进 速度 可 以 通 过增 加轴压力 和 降低扭 矩 的方法 来实现 由 式可 知要 降低扭 矩 可 以 采取 以 下 措施 ① 减 小钻 头 切 削 刃 刃 数 但 现场 所用 钻头 切 削 刃 刃 数 一 般最少 为 ， 无法 再减 小 了 ② 降低 炮 泥压 入硬度坑 但炮 泥 材 料是 由高炉 生 产决定 的 ， 不能随意改变 ③减小压人深度 这样虽 然 可 以 降低扭矩 ， 但 由 式 可 知钻进速 度也 随着 压人深度 的减小而 降低 ④ 减小钻头 的直径 但这 又 受到 出铁 口 尺 寸的要求 ⑤ 减小切 削刃 刃 角 这样 虽 然 可 以 降低扭矩 ， 但钻头 磨损 更 快 ， 不 经 济 由此可 知 以 上 种 降低扭矩 的 方 法 都不 可 取 从增加 轴压力 来考虑 ， 但 由 式 可 知 ， 当增 加轴压 力 时又 会增 大扭矩 ， 也 就很 难提高钻进 速度 ， 如何才能做到既 能增加 轴压 力 又 能降低 扭矩 ， 本文认为在钻进过程 中增加 冲打可 以 实 现这一 目的 因为在钻进过程 中增加 冲打时 ， 轴 压力 实 际 上 是 一 种 冲击力 ， 这种 冲击力 比不 冲 打的轴压力要 大得多 ， 它能够使接触应力瞬时 达到极 高值 这样 ， 局 部应 力 比较集 中 ， 还 来不 及 重新分配就达到 了炮泥材 料 的强度极 限值而 发生 体积 破碎 ， 体积 破碎时 的摩 擦 因数低 于 表 面破碎 时 的摩擦 因数 ， 这 样 ， 既 能 降低 扭矩 ， 提 高钻进速度 ， 又 能 降低钻头 切 削刃 的磨损 ， 提 高 钻头的耐用度 另 一方面 ， 由于 冲打钻进下 的轴