切削齿受力测量的实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及钻头实验装置领域，特别涉及一种切削齿受力测量的实验装置及其实验方法。

背景技术：

pdc(polycrystallinediamondcompact)钻头是石油钻井中的一种重要工具，其性能的好坏对钻井效率和成本具有很大影响。在钻井过程中，如果钻头受力过大或者受力不平衡，容易引起pdc钻头的井下涡动和冲击振动现象，造成钻头的磨损和破坏，进而导致钻头寿命的降低，不利于钻井效率的提高。

pdc钻头在井底的受力与岩石性质、钻头结构参数和钻井参数有关。对pdc钻头进行合理的设计是提高钻头性能和寿命的主要途径。pdc钻头的受力是其所有切削齿受力的合力，因此对切削齿受力进行研究是pdc钻头受力分析的基础。在pdc钻头空间直角坐标系中，每个切削齿都具有3个位置参数和3个方向参数，不同的方位参数会导致切削齿的受力不同。因此，研制一种能够测量不同情况下的切削齿受力的实验装置对研究切削齿和钻头受力具有重要意义。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种切削齿受力测量的实验装置及其实验方法，其能够调整切削齿的方位参数，并对切削齿的受力进行测量。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种切削齿受力测量的实验装置，所述切削齿受力测量的实验装置包括：

岩石夹持装置，其用于夹持岩石块；

驱动机构，其用于驱动所述岩石夹持装置转动；

切削齿调节装置，所述切削齿调节装置包括：具有轴线的基座，所述基座上开设有沿径向方向延伸的滑动槽；设置在所述滑动槽中的径向位置调节件，所述径向位置调节件能在所述滑动槽中滑动并能固定锁死，所述径向位置调节件沿轴向方向开设有通孔；插设在所述通孔中的角度调节件；夹设在所述径向位置调节件上的固定夹机构，所述固定夹机构、所述径向位置调节件和角度调节件之间插设有定位销；插设在所述角度调节件中的切削齿夹持件，所述切削齿夹持件上能够安装切削齿；

加载装置，所述加载装置用于控制所述岩石夹持装置与切削齿调节装置之间的距离。

优选的，所述基座上固定设置有第一固定板，所述第一固定板上相对称的位置处各开设有第一固定孔；所述径向位置调节件上固定设置有第二固定板，所述第二固定板上相对称的位置处各开设有第二固定孔；所述第一固定孔和第二固定孔之间拧入第一螺栓以使所述径向位置调节件的位置固定。

优选的，所述径向位置调节件的侧壁上开设有相对称的第一缺口，所述角度调节件上开设有第一贯穿孔，所述定位销插入所述第一贯穿孔、第一缺口。

优选的，所述径向位置调节件的侧壁上在径向方向上开设有相对称的第二缺口，所述角度调节件上开设有第二贯穿孔，所述基座在径向方向上开设有开孔，所述开孔中拧入第二螺栓，所述第二螺栓插入所述第二贯穿孔、第二缺口。

优选的，所述角度调节件沿轴线方向开设有安装孔，所述切削齿夹持件插设在所述安装孔中，所述角度调节件与所述切削齿夹持件之间穿设有定位件。

优选的，所述通孔呈圆形，所述角度调节件的下端横截面呈圆形。

优选的，所述切削齿的受力部位上安装有应变片，所述切削齿受力测量的实验装置还包括：信号采集变送器，所述信号采集变送器分别与所述驱动机构、所述加载装置、所述应变片相电性连接，所述信号采集变送器用于采集切削齿受力值、钻压、转速、进给速度值。

优选的，所述切削齿夹持件的上端在所述切削齿安装槽附近开设有压齿片固定孔，所述切削齿夹持件上通过所述压齿片固定孔安装有压齿片。

优选的，所述滑动槽、所述径向位置调节件、所述角度调节件、所述固定夹机构、所述切削齿夹持件为多个，所述滑动槽、所述径向位置调节件、所述角度调节件、所述固定夹机构、所述切削齿夹持件绕所述轴线呈圆周分布。

一种采用如上述中任一所述的切削齿受力测量的实验装置的切削齿受力测量的实验方法，包括以下步骤：

将岩石夹持装置与驱动机构相连接，并将岩石块安装至所述岩石夹持装置上；

通过在所述滑动槽中移动径向位置调节件以调节切削齿的径向位置，调节完成后再将径向位置调节件固定锁死；

通过所述角度调节件插入所述径向位置调节件的通孔的深度以调节切削齿的轴向位置，通过所述角度调节件在所述径向位置调节件的通孔中的转动以调节切削齿朝向的方向，待上述调节完成后，通过在所述固定夹机构、所述径向位置调节件和角度调节件之间插设定位销和锁紧固定夹机构以使所述角度调节件与所述径向位置调节件之间锁定；

将应变片安装在所述切削齿夹持件上，并通过导线将所述应变片、所述驱动机构、所述加载装置与信号采集器相连；

启动所述驱动机构，调节所述加载装置使得所述切削齿与所述岩石块接触从而对所述岩石块进行切削，待切削稳定之后，记录所述切削齿的受力、钻压、转速、进给速度。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

在本申请中先通过岩石夹持装置夹持岩石块，然后通过切削齿调节装置中的径向位置调节件、角度调节件从而分别调节切削齿夹持件上切削齿的径向位置、轴向位置以及切削齿朝向的角度，利用驱动机构驱动所述岩石夹持装置转动，加载装置控制所述岩石夹持装置与切削齿调节装置之间的距离，从而使得切削齿调节装置上安装的切削齿对岩石夹持装置内的岩石块进行切削，以测试不同切削齿的径向位置、轴向位置、切削齿朝向的角度、切削齿受力、转速、钻压、钻进速度等参数对切削齿切削岩石的影响，进而研究pdc钻头受力的规律，对优化设计pdc钻头具有积极意义。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中切削齿受力测量的实验装置的示意图；

图2为本发明实施例中切削齿调节装置的立体示意图；

图3为本发明实施例中基座的立体示意图；

图4为本发明实施例中径向调节件的示意图；

图5为本发明实施例中角度调节件的示意图；

图6为本发明实施例中切削齿夹持件的示意图；

图7为本发明实施例中岩石夹持件的示意图。

以上附图的附图标记：

1、驱动机构；2、岩石夹持装置；21、盒体；22、螺纹孔；3、切削齿调节装置；31、基座；311、滑动槽；312、第一固定板；3121、第一固定孔；313、操作开口；314、开孔；315、第二螺栓；32、径向位置调节件；321、通孔；322、第二固定板；3221、第二固定孔；323、第一螺栓；324、第一缺口；325、第二缺口；33、角度调节件；331、第一贯穿孔；332、第二贯穿孔；333、安装孔；334、定位件；34、固定夹机构；341、夹持件；342、定位销；35、切削齿夹持件；351、压齿片固定孔；352、切削齿安装槽；36、切削齿；4、加载装置；5、信号采集变送器；6、a/d模数转换器；7、计算机。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够调整切削齿36的方位参数，并对切削齿的受力进行测量，在本申请中提出了一种切削齿受力测量的实验装置，图1为本发明实施例中切削齿受力测量的实验装置的示意图，图2为本发明实施例中切削齿调节装置的立体示意图，如图1和图2所示，切削齿受力测量的实验装置包括：岩石夹持装置2，其用于夹持岩石块；驱动机构1，其用于驱动岩石夹持装置2转动；切削齿调节装置3，切削齿调节装置3包括：具有轴线的基座31，基座31上开设有沿径向方向延伸的滑动槽311；设置在滑动槽311中的径向位置调节件32，调节件能在滑动槽311中滑动并能固定锁死，径向位置调节件32沿轴向方向开设有通孔321；插设在通孔321中的角度调节件33；夹设在径向位置调节件32上的固定夹机构34，固定夹机构34、径向位置调节件32和角度调节件33之间插设有定位销342；插设在角度调节件33中的切削齿夹持件35，切削齿夹持件35上能够安装切削齿36；加载装置4，加载装置4用于控制岩石夹持装置2与切削齿调节装置3之间的距离。

在本申请中先通过岩石夹持装置2夹持岩石块，然后通过切削齿调节装置3中的径向位置调节件32、角度调节件33从而分别调节切削齿夹持件35上切削齿36的径向位置、轴向位置以及切削齿36朝向的角度，利用驱动机构1驱动岩石夹持装置2转动，加载装置4控制岩石夹持装置2与切削齿调节装置3之间的距离，从而使得切削齿调节装置3上安装的切削齿36对岩石夹持装置2内的岩石块进行切削，以测试不同切削齿36的径向位置、轴向位置、切削齿36朝向的角度、切削齿36受力、转速、钻压、钻进速度等参数对切削齿36切削岩石的影响，进而研究pdc钻头受力的规律，对优化设计pdc钻头具有积极意义。

为了更好的了解本申请中的切削齿受力测量的实验装置，下面将对其做进一步说明和解释。如图1所示，切削齿受力测量的实验装置包括：岩石夹持装置2、驱动机构1、切削齿调节装置3、加载装置4。为了能够方便对实验进行控制和测量记录，在切削齿调节装置3上安装的切削齿36的受力部位上安装有应变片，应变片用于测量切削齿36在切削时其受力部位的受力数值。切削齿受力测量的实验装置还可以包括：信号采集变送器5，信号采集变送器5分别与驱动机构1、加载装置4、应变片相电性连接，信号采集变送器5用于采集切削齿36受力值、钻压、转速、进给速度值；通过a/d模数转换器6与信号采集变送器5相电性连接的计算机7，计算机7用于记录相应的采集数据。

图7为本发明实施例中岩石夹持件的示意图，如图7所示，岩石夹持装置2用于夹持岩石块，其可以为具有开口的盒体21，盒体21内部的横截面形状可以为矩形、正方形或其它图形，其只需满足岩石块在内部不会发生转动即可。盒体21下端具有螺纹孔22，该螺纹孔22用于与驱动机构1相连接。驱动机构1用于驱动岩石夹持装置2转动，驱动机构1与岩石夹持装置2的螺纹孔22相连接，以使其能够驱动盒体21及盒体21内的岩石块转动。基于上述结构，在实验过程中利用切削齿调节装置3上安装的切削齿36对岩石块进行切削时，岩石块发生转动，而切削齿36处于静止，切削齿36与岩石块做相对运动，如此有利于切削齿36上应变片对切削力的测量。

如图1所示，加载装置4与切削齿调节装置3相传动连接，加载装置4用于控制岩石夹持装置2与切削齿调节装置3之间的距离。岩石夹持装置2、驱动机构1以及切削齿调节装置3基础处于同一直线上，如此，通过加载装置4的伸缩从而使得在实验时切削齿调节装置3向岩石夹持装置2移动，从而形成钻压以及钻进速度。

图3为本发明实施例中基座的立体示意图，如图2、图3所示，切削齿调节装置3包括：基座31、径向位置调节件32、角度调节件33、固定夹机构34和切削齿夹持件35。其中，基座31可以为一圆筒，圆筒的侧壁上开设有操作开口313，以便于对圆筒内的部件进行安装和拆卸。基座31具有一轴线，基座31上开设有沿径向方向延伸的滑动槽311，滑动槽311可以为多个，其绕轴线呈圆周分布。径向位置调节件32设置在滑动槽311中，由于滑动槽311沿径向方向延伸，因此，径向位置调节件32能在滑动槽311中滑动。通过上述方式可以实现切削齿调节装置3上安装的切削齿36在径向位置上的调节，滑动槽311的长度越长，切削齿36在径向位置上调节的范围越大。通过上述方式，通过径向位置调节件32实现了对切削齿36的径向位置的无级调节。

为了能够使得调节后的径向位置调节件32在调节后能够进行固定锁死，如图2和图3所示，基座31上端固定设置有第一固定板312，第一固定板312垂直于径向方向设置，第一固定板312上相对称的位置处各开设有第一固定孔3121。径向位置调节件32上固定设置有第二固定板322，例如两者可以是焊接连接，第二固定板322上相对称的位置处各开设有第二固定孔3221；当第一固定孔3121和第二固定孔3221是螺纹孔时，可以第一固定孔3121和第二固定孔3221之间拧入第二螺栓315以使径向位置调节件32的位置固定，再在第二螺栓315上拧入螺母，从而实现第二螺栓315与第一固定板312、第二固定板322之间的紧固，并可以防止松动。当第一固定孔3121和第二固定孔3221不是螺纹孔时，可以在第一固定孔3121和第二固定孔3221之间拧入第一螺栓323再配合合适数量的螺母以使径向位置调节件32的位置固定，例如在第二固定板322和第一固定板312之间设置两个螺母，第一螺栓323的末端再设置一个螺母，从而径向位置调节件32的位置固定。

图4为本发明实施例中径向调节件的示意图，图5为本发明实施例中角度调节件的示意图，如图4、图5所示，径向位置调节件32沿轴向方向开设有通孔321，角度调节件33插设在通孔321中。通孔321呈圆形，角度调节件33的下端横截面呈圆形。角度调节件33在通孔321中可以进行转动，通过上述结构实现对切削齿调节装置3上安装的切削齿36朝向的角度的调节。在对切削齿36朝向的角度进行调节后，为了固定角度调节件33，径向位置调节件32的侧壁上开设有相对称的第一缺口324，角度调节件33上开设有第一贯穿孔331，定位销342插入第一贯穿孔331、第一缺口324。第一缺口324在周向的范围大小决定了切削齿36朝向的角度的调节范围。第一缺口324在轴线方向的范围大小决定了切削齿36的轴向位置，通过调节角度调节件33插入通孔321的深度，从而确定切削齿36在轴向的位置。在上述方式中，角度调节件33可以实现对切削齿36轴向位置和朝向的角度的无级调节。

如图1所示，固定夹机构34夹设在径向位置调节件32上，固定夹机构34包括两个呈半圆形的夹持件341，夹持件341的两端之间通过螺栓、螺母锁紧。固定夹机构34、径向位置调节件32和角度调节件33之间插设有定位销342，定位销342穿过固定夹机构34的夹持件341、径向位置调节件32的第一缺口324，角度调节件33的第一贯穿孔331，当夹持件341锁紧后，角度调节件33与径向位置调节件32之间便无法进行转动，从而达到固定角度调节件33的目的。

如图4和图5所示，径向位置调节件32的侧壁上在径向方向上开设有相对称的第二缺口325，角度调节件33上开设有第二贯穿孔332，基座31在径向方向上开设有开孔314，开孔314中拧入第二螺栓315，第二螺栓315插入第二贯穿孔332、第二缺口325。通过上述方式可以对角度调节件33的转动程度进行定位，当第二螺栓315插入第二贯穿孔332、第二缺口325时，切削齿调节装置3上安装的切削齿36朝向的方向与径向方向相垂直。

图6为本发明实施例中切削齿夹持件的示意图，如图6所示，角度调节件33沿轴线方向开设有安装孔333，切削齿夹持件35插设在安装孔333中，角度调节件33与切削齿夹持件35之间穿设有定位件334，通过定位件334从而使得切削齿夹持件35与角度调节件33之间不发生转动。

如图6所示，切削齿夹持件35的上端具有切削齿安装槽352，切削齿安装槽352中用于安装切削齿36。切削齿夹持件35的上端在切削齿安装槽352附近开设有压齿片固定孔351，切削齿夹持件35上通过压齿片固定孔351安装有压齿片，压齿片用于抵住切削齿36，以提高切削齿36与切削齿安装槽352之间的牢固程度。

在上述所有结构中，滑动槽311、径向位置调节件32、角度调节件33、固定夹机构34、切削齿夹持件35均可以为多个，滑动槽311、径向位置调节件32、角度调节件33、固定夹机构34、切削齿夹持件35绕轴线呈圆周分布。切削齿调节装置3在圆周方向上安装多个切削齿36有助于切削齿36在切削岩石块时保持整个切削齿调节装置3的受力平衡。

在本申请中还提出了一种切削齿受力测量的实验方法，该实验方法可以包括以下步骤：

将岩石夹持装置2与驱动机构1相连接，并将岩石块安装至岩石夹持装置2上。

通过在滑动槽311中移动径向位置调节件32以调节切削齿36的径向位置，调节完成后再将径向位置调节件32固定锁死。具体而言，当第一固定孔3121和第二固定孔3221是螺纹孔时，可以在第一固定孔3121和第二固定孔3221之间拧入第一螺栓323以使径向位置调节件32的位置固定，如此，可以实现位置的固定，再配合螺母的使用可以实现第二螺栓315与第一固定板312、第二固定板322之间的紧固，并可以防止松动。当第一固定孔3121和第二固定孔3221不是螺纹孔时，可以在第一固定孔3121和第二固定孔3221之间拧入第一螺栓323再配合合适数量的螺母以使径向位置调节件32的位置固定，例如在第二固定板322和第一固定板312之间设置两个螺母，第一螺栓323的末端再设置一个螺母，从而径向位置调节件32的位置固定。

通过角度调节件33插入径向位置调节件32的通孔321的深度以调节切削齿36的轴向位置，通过角度调节件33在径向位置调节件32的通孔321中的转动以调节切削齿36朝向的方向，待上述调节完成后，通过在固定夹机构34、径向位置调节件32和角度调节件33之间插设定位销342和锁紧固定夹机构34以使角度调节件33与径向位置调节件32之间锁定，定位销342可以确保角度调节件33与固定夹机构34之间的固定，即不发生转动，当固定夹机构34中的夹持件341锁紧径向位置调节件32后，固定夹机构34与径向位置调节件32之间也无法转动，如此就实现了角度调节件33与径向位置调节件32之间的锁定。

将应变片安装在切削齿夹持件35上，并通过导线将应变片、驱动机构1、加载装置4与信号采集器相连。具体而言，应变片可以采用一对电阻应变片设置在切削齿夹持件35的两侧，再采用半桥测试系统对切削齿36的受力部位的受力进行测量。

启动驱动机构1，调节加载装置4使得切削齿36与岩石块接触从而对岩石块进行切削，待切削稳定之后，通过加载装置和驱动机构得到钻压、转速、进给速度，通过应变片得到切削齿36的受力，记录切削齿36的受力、钻压、转速、进给速度。重复上述步骤，直到完成切削齿36在所有预定状态下切削齿36受力的测量，实验结束。

通过上述实验可以测试不同切削齿36的径向位置、轴向位置、切削齿36朝向的角度、切削齿36受力、转速、钻压、钻进速度等参数对切削齿36切削岩石的影响，进而研究pdc钻头受力的规律，对优化设计pdc钻头具有积极意义。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。