KX84系列牙輪鉆頭的牙爪疲勞裂紋

伊哲鋒 張維 楊九香 曾曉東 裴中林 劉冰 張宇

【摘 要】KX84系列牙爪大跑道最主要的失效形式時(shí)接觸疲勞。根據(jù)接觸面半寬b確定疲勞裂紋深度。KX84-250牙輪鉆頭疲勞裂紋的理論深度為深度0.27mm（實(shí)際0.28mm）。而KX84-310牙輪鉆頭的疲勞裂紋理論深度0.34mm（實(shí)際0.38mm）。

【關(guān)鍵詞】裂紋;接觸面半寬;接觸疲勞

Abstract：The main failure form of the raceway of leg of KX 84 series roller cone bit is contact fatigue. The depth of fatigue crack initiation was determined by calculating the half width b of the contact surface. Among them，the theoretical depth of fatigue crack of KX84-250 roller cone bit is 0.27 mm（actual depth 0.28 mm）. For KX84-310 roller cone bit，the theoretical depth and the actual depth are 0.34mm and 0.38 mm respectively.

Key words：Crack;Half width;Contact fatigue

一緒論

KX84系列牙輪鉆頭因較高性價(jià)比而應(yīng)用于采礦行業(yè)。牙輪鉆頭主要失效形式是接觸疲勞（1，2）。周霆偉（3）發(fā)現(xiàn)，白層組織無法阻止疲勞裂紋擴(kuò)展。李青（4）發(fā)現(xiàn)，軸承表面塑性流動(dòng)容易引發(fā)疲勞裂紋擴(kuò)展。因此，研究接觸疲勞必須分析疲勞裂紋。

二實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)牙爪大跑道進(jìn)行線切割，利用4%硝酸酒精腐蝕，在Olympus BX-51金相顯微鏡觀察縱深度裂紋。利用IMCE對(duì)牙爪20CrMo和滾柱55SiMoV進(jìn)行彈性模量測(cè)試。

三結(jié)果分析

“牙爪大跑道——滾柱”軸承系統(tǒng)的受力分析如圖1。

牙輪鉆頭含有三個(gè)牙爪，因此

P為13.79MPa軸壓，D為轉(zhuǎn)軸直徑（250mm，KX84-250;310mm，KX84-310）。

“牙爪大跑道——滾柱”承受70%的應(yīng)力，接觸面積2bl。b為接觸面半寬，l為接觸線的長(zhǎng)度（lKX84-250=28mm，lKX84-310=32mm）。

D1為牙爪大跑道的直徑（D1-KX84-250=62mm，D1-KX84-310=82mm），D2為滾柱直徑（D2-KX84-250=14mm，D2-KX84-310=16mm）。E1為牙爪材料20CrMo的彈性模量（205GPa-210GPa），E2為滾柱材料55SiMoV的彈性模量（210GPa-215 GPa）。

四裂紋分析

在0.5b深度處，疲勞裂紋容易萌生（5）（圖2）。

在KX84-250的0.28mm深度處發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋，而KX84-250的0.5b為0.27mm。同樣，對(duì)于KX84-310合金，計(jì)算深度（0.5b）為0.34mm，實(shí)際深度為0.38mm。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。裂紋產(chǎn)生形成剝落凹坑，剝落到3-5mm時(shí)鉆頭報(bào)廢。

五結(jié)論

KX84系列牙輪鉆的牙爪大跑道的失效形式時(shí)接觸疲勞。KX84-250牙爪大跑道的疲勞裂紋深度為0.27mm，實(shí)際觀察結(jié)果為0.28mm。而KX84-310牙輪鉆頭的疲勞裂紋深度，計(jì)算深度為0.34mm，實(shí)際深度為0.38mm。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：

遼寧科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（202011430081）

（作者單位：遼寧科技學(xué)院）