本實(shí)用新型涉及金剛石鉆頭應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種金剛石鉆頭胎體對金剛石把持力的測試裝置及方法，用于實(shí)現(xiàn)鉆頭胎體對金剛石把持力的定量評價。

背景技術(shù)：

為解決淺部資源逐漸枯竭的問題以緩解資源供需矛盾和出于各類科學(xué)研究的需要，近年來深部鉆探工作和干熱巖鉆探工作被廣泛地開展。由于在深部鉆探中，井底的溫度會隨鉆深的增加而增大；在干熱巖鉆探中，鉆頭胎體的溫度會更高。因此，鉆頭需要在不同溫度條件下進(jìn)行作業(yè)，而溫度對鉆頭的性能影響明顯，把持力會隨溫度的升高而減小。在這些鉆探工作中，由于金剛石鉆頭的壽命和效率不足對鉆探的效率和成本產(chǎn)生了重大的影響。而金剛石鉆頭的壽命和效率不足往往是由于鉆頭胎體對金剛石的把持力不足引起的。金剛石鉆頭的壽命和效率在金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)合理、胎體性質(zhì)與地層相適應(yīng)的情況下，取決于胎體對金剛石的把持力(亦稱包鑲力)。把持力增大，金剛石出刃高度可相應(yīng)增加，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈的切入深度增加，進(jìn)而使鉆進(jìn)效率增加；同時，金剛石出刃高度的增加也能改善底唇面工作狀況、減小沖洗液和巖粉對胎體的沖蝕等，提高鉆頭使用壽命；另外，胎體對金剛石的把持力增加，金剛石脫落的比例降低，有效利用率增加，從而提高金剛石鉆頭的壽命。

目前國內(nèi)外對金剛石把持力的測量和表征沒有統(tǒng)一的方法，也沒有相關(guān)的測試裝置，多采用掃描電鏡(SEM)形貌分析、能譜分析等定性分析方法和抗彎強(qiáng)度下降率(把持力系數(shù))、拉伸強(qiáng)度下降率等半定量分析方法相結(jié)合來間接評價把持力，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中很不方便，而且不能很好的定量的表征把持力的大小。因此，需要提供一種鉆頭胎體對金剛石把持力的測試裝置及方法，可以用來定量的評價把持力的大小，從而使胎體配方的設(shè)計(jì)和制備工藝的優(yōu)化更為科學(xué)和簡便，這對于提高金剛石鉆頭的壽命和效率具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種金剛石鉆頭胎體對金剛石把持力的測試裝置，實(shí)現(xiàn)鉆頭胎體對金剛石把持力的定量評價，從而使胎體配方的設(shè)計(jì)和制備工藝的優(yōu)化更為科學(xué)和簡便。

本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種金剛石鉆頭胎體對金剛石把持力的測試裝置，至少包括由底座和四個支架組成的支撐機(jī)構(gòu)，由加熱器、隔熱倉和測溫裝置組成的加熱與保溫系統(tǒng)，由進(jìn)水口、出水口、水泵、水管、水箱組成的冷卻系統(tǒng)，由加載油缸、加載頭、受載錐體、傳力環(huán)、測試試樣和試樣支撐組成的加載與測試系統(tǒng)，以及壓力檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)；所述加熱器及隔熱倉設(shè)置在 底座的上方，測溫裝置設(shè)置在隔熱倉上；所述進(jìn)水口設(shè)置于隔熱倉頂部，出水口設(shè)置于隔熱倉底部，進(jìn)水口通過水管連接到水泵、水箱上，出水口通過水管連接水箱；所述加載油缸設(shè)置在支架上，加載頭布置于加載油缸下方；所述受載錐體連接固定在加載頭底部中心，傳力環(huán)內(nèi)側(cè)與受載錐體為錐面接觸，傳力環(huán)外側(cè)與測試試樣柱面接觸，測試試樣布置于試樣支撐上，試樣支撐設(shè)置在加熱器上；所述壓力檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)安裝在加載油缸上，數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，用于實(shí)現(xiàn)對所加載荷的精確測量與數(shù)據(jù)采集、儲存。

按上述方案，所述受載錐體為圓錐體，用于將來自加載油缸上的力施加在傳力環(huán)之上，傳力環(huán)與受載錐體錐面接觸的錐角相同。

按上述方案，所述傳力環(huán)由均勻?qū)ΨQ的四部分組成，在加載過程中摩擦力的影響相互抵消，傳力環(huán)用于將來自受載錐體豎直方向的力轉(zhuǎn)換為測試試樣所受到的徑向方向的力。

按上述方案，所述測試試樣為圓環(huán)狀試樣，由純胎體以及含金剛石工作層的胎體小塊兩部分組成。

按上述方案，所述隔熱倉采用雙層不銹鋼隔熱倉，隔熱倉中充滿水，用于隔熱以保護(hù)測試人員的安全。

本實(shí)用新型金剛石鉆頭胎體對金剛石把持力的測試裝置的測試方法，包括如下步驟：

(1)按照設(shè)計(jì)的鉆頭胎體配方和燒結(jié)工藝制備測試試樣；

(2)在測試裝置中固定好試樣支撐，將測試試樣放在試樣支撐之上，將傳力環(huán)置于測試試樣內(nèi)側(cè)，并使受載錐體與傳力環(huán)、試樣支撐的中心對齊；

(3)關(guān)上雙層不銹鋼隔熱倉的倉門，若需要測高溫下鉆頭胎體對金剛石的把持力，則啟動加熱與保溫系統(tǒng)使測試試樣處于所需溫度下，同時打開水泵，啟動冷卻系統(tǒng)，用于隔熱以及試驗(yàn)后實(shí)現(xiàn)快速冷卻；若不需要，則直接在室溫下測定；

(4)啟動加載油缸，讓加載油缸緩慢勻速的向下加載，加載頭帶動受載椎體向下運(yùn)動，通過傳力環(huán)對測試試樣施力，直到測試試樣張裂，測試裝置處于卸載狀態(tài)，測試完成；在這期間壓力檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)的檢測與采集工作；

(5)通過接在數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)上的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)得到相應(yīng)的測試曲線以及張裂強(qiáng)度，通過張裂強(qiáng)度定量表征把持力的大小。

按上述方案，所述步驟(4)測試時，載荷通過受載錐體、傳力環(huán)至測試試樣內(nèi)壁(將測試試樣看作厚壁圓環(huán)內(nèi)壁上受到均勻分布的壓力作用，隨著加載載荷的增加，圓環(huán)狀測試試樣必然發(fā)生破壞，而圓環(huán)破壞是由切向應(yīng)力引起的，其值在內(nèi)表面為最大)，測試試樣破壞時最大切向應(yīng)力滿足

其中，σ_θmax是測試試樣(圓環(huán)狀試樣)破壞時最大切向應(yīng)力，即張裂強(qiáng)度；r₁是測試試樣外半徑；r₂是測試試樣內(nèi)半徑；P是加載載荷；α是受載錐體斜面角；h是測試試樣厚度；f是受載錐體與傳力環(huán)之間的摩擦系數(shù)。

本實(shí)用新型的工作原理：由于胎體對金剛石的把持力比胎體自身強(qiáng)度小很多，故測試試樣的破壞發(fā)生在胎體與金剛石界面。胎體對金剛石的把持力越強(qiáng)，則測試試樣張裂時受到的載荷越大，張裂強(qiáng)度σ_θmax值也就越大，故可以用張裂強(qiáng)度σ_θmax來直接定量的表征胎體對金剛石把持力的大小。在測試試樣的尺寸和其它如受載錐體與傳力環(huán)等裝置確定的情況下，只要測出通過壓力檢測系統(tǒng)測出所加載荷的大小就可以得到張裂強(qiáng)度σ_θmax值，從而可以定量表征把持力的大小。

本實(shí)用新型的有益效果：

1、目前缺乏鉆頭胎體工作溫度對把持力影響方面的研究，本實(shí)用新型的加熱與保溫系統(tǒng)就是為了測定不同工作溫度條件下鉆頭胎體對金剛石把持力的大小，方法簡便易行，有利于推動鉆頭胎體對把持力的定量研究工作，對于提高金剛石鉆頭的壽命和效率具有重要意義；

2、優(yōu)化胎體配方和制備工藝，從而提高金剛石鉆頭的質(zhì)量，進(jìn)而提高鉆探效率、降低成本、縮短工期，具有重要意義，該裝置和方法不僅可以用于金剛石鉆頭領(lǐng)域，也可以用于其它金剛石工具胎體對把持力的定量評價。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型金剛石鉆頭胎體對金剛石把持力的測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型測試試樣的上視圖；

圖中，1-底座，2-出水口，3-加熱器，4-隔熱倉，5-支架，6-進(jìn)水口，7-加載頭，8-加載油缸，9-數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)，10-壓力檢測系統(tǒng)，11-受載錐體，12-傳力環(huán)，13-測試試樣，14-試樣支撐，15-測溫裝置，16-純胎體，17-胎體小塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本實(shí)用新型技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1～2所示，本實(shí)用新型所述的金剛石鉆頭胎體對金剛石把持力的測試裝置，包括由底座1和四個支架5組成的支撐機(jī)構(gòu)，由加熱器3、隔熱倉4和測溫裝置15組成的加熱與保溫系統(tǒng)，由進(jìn)水口6、出水口2和水管、水泵、水箱組成的冷卻系統(tǒng)，由加載頭7、加載油缸8、受載錐體11、傳力環(huán)12、測試試樣13和試樣支撐14組成的加載與測試系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)9和壓力檢測系統(tǒng)10；所述加熱器3及隔熱倉4設(shè)置在底座1的上方，測溫裝置15 設(shè)置在隔熱倉4上；所述進(jìn)水口6設(shè)置于隔熱倉頂部，出水口2設(shè)置于隔熱倉底部，進(jìn)水口6通過水管連接到水泵、水箱上，出水口2通過水管連接到水箱；所述加載油缸8設(shè)置在支架5上，加載頭7布置于加載油缸8下方；所述受載錐體11連接固定在加載頭7底部中心，傳力環(huán)12內(nèi)側(cè)與受載錐體11為錐面接觸，傳力環(huán)12外側(cè)與測試試樣13柱面接觸，測試試樣13布置于試樣支撐14上，試樣支撐14設(shè)置在加熱器3上；所述壓力檢測系統(tǒng)10和數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)9安裝在加載油缸8上，數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)9與計(jì)算機(jī)連接，用于實(shí)現(xiàn)對所加載荷的精確測量與數(shù)據(jù)采集、儲存。

受載錐體11為圓錐體，用于將來自加載油缸8上的力施加在傳力環(huán)12之上，傳力環(huán)12與受載錐體11錐面接觸的錐角相同。

傳力環(huán)12由均勻?qū)ΨQ的四部分組成，在加載過程中摩擦力的影響相互抵消，傳力環(huán)12用于將來自受載錐體11豎直方向的力轉(zhuǎn)換為測試試樣13所受到的徑向方向的力。

測試試樣13為圓環(huán)狀試樣，由純胎體16以及含金剛石工作層的胎體小塊17兩部分組成，如圖2所示。

隔熱倉4采用雙層不銹鋼隔熱倉，用于隔熱以保護(hù)測試人員的安全。

本實(shí)用新型實(shí)施例金剛石鉆頭胎體對金剛石把持力的測試裝置的測試方法，包括如下步驟：

(1)在使用該裝置測試之前，需要制備測試試樣13，測試試樣13按照設(shè)計(jì)的鉆頭胎體配方和燒結(jié)工藝制備而成，測試試樣13的內(nèi)外徑與鉆頭胎體尺寸一致或縮小，測試試樣13的高度不高于傳力環(huán)12的高度，也不能太小，以方便制備；

(2)測試試樣13制備好后，將其放在試樣支撐14之上；之后，將傳力環(huán)12置于測試試樣13內(nèi)側(cè)，并使受載錐體11與傳力環(huán)12、試樣支撐14的中心對齊；

(3)關(guān)上雙層不銹鋼隔熱倉4的倉門，倉門上有觀察孔，可以看到整個測試過程。若需要測高溫下鉆頭胎體對金剛石的把持力，則啟動加熱與保溫系統(tǒng)使測試試樣13處于所需溫度下，同時打開水泵，啟動冷卻系統(tǒng)，用于隔熱以及試驗(yàn)后實(shí)現(xiàn)快速冷卻；若不需要，則直接在室溫下測定；

(4)啟動加載油缸8，讓加載油缸8緩慢勻速的向下加載，加載頭7帶動受載椎體11向下運(yùn)動，通過傳力環(huán)12對測試試樣13施力，直到測試試樣13張裂，裝置處于卸載狀態(tài)，測試完成；在這期間壓力檢測系統(tǒng)10和數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)9進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)的檢測與采集工作；

(5)通過接在數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)9上的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)得到相應(yīng)的測試曲線以及張裂強(qiáng)度，通過張裂強(qiáng)度定量表征把持力的大小。

本實(shí)用新型加載與測試系統(tǒng)為本實(shí)用新型裝置的基礎(chǔ)與核心，本實(shí)用新型對受載錐體11、 傳力環(huán)12、測試試樣13的尺寸不做限定。試樣支撐14可以固定在裝置上，對固定方式不做限定。加熱器3為熱源，提供加熱；隔熱倉4和測溫裝置15可以實(shí)現(xiàn)保溫與溫度測量。冷卻系統(tǒng)是為了在測高溫下鉆頭胎體對金剛石的把持力后，實(shí)現(xiàn)裝置的快速冷卻，對具體冷卻方式不做限定，以縮短兩次試驗(yàn)的時間間隔，提高裝置的工作效率。壓力檢測系統(tǒng)10和數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)9是為了實(shí)現(xiàn)對所加載荷的精確測量與數(shù)據(jù)采集、儲存。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)不同工作溫度溫度條件下胎體對金剛石把持力的測定，對升溫速度、加溫極限等不做限定。對于測高溫下鉆頭胎體對金剛石的把持力來說，測試完成后，可以使用冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝置的快速冷卻，為下組測試做好準(zhǔn)備。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，依本實(shí)用新型的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之中。