2024年5月8日发(作者：印濡)
第
19
卷 第
3
期
Vol.19
No.3
西南石油学院学报
1997
年
8
月
JournalofSouthwestPetroleumInstitute
Aug
1997
牙轮钻头主要结构参数的优化设计
吴泽兵 侯季康
(
西南石油学院机械工程系
,
四川南充
637001
)
Ξ
摘要 根据牙轮钻头与岩石相互作用机理
,
引出了平面模型和空间模型的概念。平面模型反映
牙齿在井底的刮切面积
,
空间模型反映了牙齿破碎岩石的体积。基于这两种模型分别建立了优
化目标函数
,
并采用多目标优化方法对两种型号钻头
(
XHP2b
和
XHP3s
)
的主要结构参数进行
了优化计算
,
结果表明对
XHP2b
钻头的优化效果比较显著。通过用优化后的结构参数重新设
计制造出的钻头的现场应用情况很好
,
机械钻速提高
10%-20%
左右。
主题词 牙轮钻头
;
结构
;
模型
;
优化设计
中图分类号
TE821
前 言
牙轮钻头结构复杂、设计困难
,
长期以来是用近似作图法加经验试凑法进行设计的。随
着计算机科学技术的高速发展
,
人们用计算机设计钻头已成为现实
,
但一些主要结构参数
(
牙轮轴线与钻头中心线之间的夹角
β
、偏移值
s
、规径点处的牙轮半径
r
等
)
不能自动优化
组合
,
也就是说这些参数仍然是由设计者本人的经验加计算机反复试算来决定。基于上述
情况展开了本文的优化设计的研究工作。
1
目标函数的建立
1
1
1
平面模型及优化目标函数
马德坤教授于
80
年代初期创立了现代牙轮钻头几何学和运动学
[1]
。
80
年代中期马德
坤教授与候季康教授完成了牙轮钻头设计电算方法软件。根据该软件可以得到牙齿在井底
的运动轨迹
[2]
,
该轨迹实质上是牙齿横向刮凿方向的牙齿宽度结合起来的水平投影区域。
由于该模型只能反映齿坑的水平投影面积
,
这里称为平面模型。本文作者在平面模型的基
础上得到了计算牙齿刮凿面积的单元模型
(
如图
1
)
。若以钻头转一圈牙齿刮凿面积最大为
目标
,
则平面模型的优化目标函数可以表示为
:
minS
(
2024年5月8日发(作者：印濡)
第
19
卷 第
3
期
Vol.19
No.3
西南石油学院学报
1997
年
8
月
JournalofSouthwestPetroleumInstitute
Aug
1997
牙轮钻头主要结构参数的优化设计
吴泽兵 侯季康
(
西南石油学院机械工程系
,
四川南充
637001
)
Ξ
摘要 根据牙轮钻头与岩石相互作用机理
,
引出了平面模型和空间模型的概念。平面模型反映
牙齿在井底的刮切面积
,
空间模型反映了牙齿破碎岩石的体积。基于这两种模型分别建立了优
化目标函数
,
并采用多目标优化方法对两种型号钻头
(
XHP2b
和
XHP3s
)
的主要结构参数进行
了优化计算
,
结果表明对
XHP2b
钻头的优化效果比较显著。通过用优化后的结构参数重新设
计制造出的钻头的现场应用情况很好
,
机械钻速提高
10%-20%
左右。
主题词 牙轮钻头
;
结构
;
模型
;
优化设计
中图分类号
TE821
前 言
牙轮钻头结构复杂、设计困难
,
长期以来是用近似作图法加经验试凑法进行设计的。随
着计算机科学技术的高速发展
,
人们用计算机设计钻头已成为现实
,
但一些主要结构参数
(
牙轮轴线与钻头中心线之间的夹角
β
、偏移值
s
、规径点处的牙轮半径
r
等
)
不能自动优化
组合
,
也就是说这些参数仍然是由设计者本人的经验加计算机反复试算来决定。基于上述
情况展开了本文的优化设计的研究工作。
1
目标函数的建立
1
1
1
平面模型及优化目标函数
马德坤教授于
80
年代初期创立了现代牙轮钻头几何学和运动学
[1]
。
80
年代中期马德
坤教授与候季康教授完成了牙轮钻头设计电算方法软件。根据该软件可以得到牙齿在井底
的运动轨迹
[2]
,
该轨迹实质上是牙齿横向刮凿方向的牙齿宽度结合起来的水平投影区域。
由于该模型只能反映齿坑的水平投影面积
,
这里称为平面模型。本文作者在平面模型的基
础上得到了计算牙齿刮凿面积的单元模型
(
如图
1
)
。若以钻头转一圈牙齿刮凿面积最大为
目标
,
则平面模型的优化目标函数可以表示为
:
minS
(