牙轮构架切削破碎的试验方略研讨

　　提高钻头刮切破岩效率的途径主要有两条，一是增加牙齿的滑移距离，二是改善牙齿的冠部形状，提高牙齿的刮切效率。牙齿在井底的滑移距离是衡量钻头刮切效果的重要指标，主要取决于钻头的结构设计（如牙轮的轮廓形状、钻头齿圈布置的设计，以及钻头移轴距等参数的选择）。

　　我们可以运用牙轮钻头运动学方程计算出钻头牙齿在井底的滑移车心迹和刮切面积，进而作出钻头井底轨迹图和综合直方图.事实上，牙齿刮切岩石时伴随着大量的脆性破碎，脆性破碎的程度与岩石性质、牙齿运动规律、牙齿的冠部形状等因素密切相关。

　　显然，仅仅使用理论计算的牙齿滑移距离来评价钻头的刮切性能是不够全面的，还必须对刮切过程中岩石的破碎体积与牙齿运动、牙齿形状、岩石性质等之间的规律作研究。只有对这些规律有了充分的认识，才能更加科学地设计钻头，使牙齿的刮切破岩作用得到*大程度的发挥。岩石的性质、破碎过程随机性很大。

　　虽然可以借助于弹塑性力学原理进行部分理论分析，但往往由于模型的过分简化而难以得到定量的结果，所能起到的作用很有限。*直接、*有效的研究岩石刮切破碎规律的手段只能是实验。因此，针对不同的研究目的采用何种刮切实验方法就成了一个至关重要的问题。

　　合运动破岩实验机（原理见后文）时充分考虑了这一特殊要求，每次加载、卸载能够在0.25内完成，完全能够满足回转刮切实验的要求。回转刮切实验的原理示意图。牙轮钻头刮切破岩的实验方法牙轮钻头刮切破岩的实验方法可以分为纯刮切实验和复合刮切实验两大类。纯刮切实验实验原理所谓“纯刮切”是指在排除了牙齿压人运动的情况下进行的牙齿对岩石表面的垂直刮切。

　　实验时牙齿中心线垂直于平整的岩石表面，牙齿沿着平行于岩石表面、垂直于牙齿齿宽方向的直线轨迹或圆弧轨迹做匀速刮切运动。实验中测试牙齿压人载荷和刮切阻力，并测量所形成破碎坑（槽）的几何特征〔破碎体积、深度等）。依据实验条件的不同，纯刮切实验又有定切深实验和定载荷实验的区别。

　　定切深纯刮切过程类似于刨床上的一次切削过程，此时实验岩石为“加工件”，实验牙齿为“刨削刀具”，作为“刀具”的牙齿在切削过程中没有沿垂直于被切削表面（岩石表面）方向的“进给运动”，即切削深度是固定不变的。定载荷实验与定切深实验的区别在于，对牙齿在刮切过程中沿垂直于岩石表面方向的纵向运动不作直接限制，而依靠维持一定水平的钻压（牙齿纵向载荷）完成刮切过程。

　　不过，由于刮切过程中不断发生岩石的脆性破碎，所以，不管是采用何种加载方式（质量加载或液压加载），牙齿的纵向载荷都不可能恒定不变，而是上下波动的。这里所谓“定载荷”是指在一批实验中保持相同的加载条件，使每次实验的纵向载荷的加载方式和加载幅度（载荷均值）保持不变。纯刮切实验可以用普通刨床作实验设备，但是需要作必要的改造，主要是增加加载系统和测试系统。此外，也可以用回转刮切的方式进行实验。

　　只要回转直径足够大（远大于牙齿直径），这两种刮切方式的实验结果应无大的差异。但回转刮切实验对设备的加载系统有特殊要求，即要求快速加载和快速卸载，否则会造成重复刮切，即牙齿刮切一圈后进入已形成的破碎坑中，导致二次刮切。这种快速加载和快速卸载的性能是一般设备达不到的。