煤田地质与勘探

作者：未九森, 韩欣, 刘维, 高德利,

关键词：PDC钻头, 切削齿, 回转半径, 不对称切削, 侧向力, 破岩效率,

目的在钻头优化设计理论研究中，提高钻头破岩效率和耐用性的关键在于系统揭示聚晶金刚石复合片切削齿(PDC齿)破岩机理和受力特征。方法针对已有单齿破岩研究常采用直线或近似直线切削模式，忽略了回转半径影响的问题，借助室内单齿破岩实验装置，采用圆柱状花岗岩样，以切削深度和回转半径为变量，系统研究了ø215.9 mm钻头尺度内PDC齿小半径回转破岩过程，探明了PDC齿回转半径对其破岩过程和受力的影响机制。优化了常规机械比能计算方法，间接考虑了侧向力对破岩效率的影响，定量评价了回转半径对PDC齿破岩效率的影响。结果和结论结果表明，回转半径大小会对PDC齿侧向力和法向力产生显著影响，回转半径越小侧向力越大，进而使法向力增大。岩石切痕形貌分析结果表明，在小半径破岩过程中，PDC齿切痕外缘的岩石剥落形成更大岩屑和破碎坑，使PDC齿内侧切削刃单独接触岩石，因而产生侧向力增大效应。破岩能耗分析结果表明，更小回转半径下PDC齿的破岩能耗更高。对于PDC钻头，增大中心内锥角度，可降低PDC齿两侧切削刃回转曲率差，有利于减小回转半径对破岩效率的负面影响。研究结果可解释钻头中心PDC齿破岩效率和耐用性不足的部分原因，为PDC钻头优化设计提供理论参考。

来源：2026年第4期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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