牙轮钻头球面浮动套轴承激光淬火技术研究与应用

发布时间：2017-04-09 11:06

  本文关键词：牙轮钻头球面浮动套轴承激光淬火技术研究与应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：牙轮钻头作为最重要的钻井工具,其工作性能的优劣将直接决定钻井效率和钻井成本,进而决定着油气资源开采的延续性。而轴承作为牙轮钻头最主要的零部件之一,其寿命的长短直接决定着牙轮钻头的使用寿命。在实际工作过程中轴承耐磨性差,黏着磨损失效是制约牙轮钻头寿命的主要原因之一,同时轴承还传递着破岩所需的数百千牛的钻压,承受着较大的冲击载荷。为了提高牙轮钻头滑动轴承的耐磨性和抗疲劳性,本文将传统柱面的滑动轴承的外表面修缘成球面,并首次将激光淬火这一先进的表面改性技术引用到牙轮钻头球面浮动套轴承中,通过理论、有限元分析和实验相结合的方式开展牙轮钻头球面浮动套轴承激光淬火表面改性技术的研究,并对球面浮动套轴承激光淬火的工艺参数进行优化研究,使球面浮动套轴承达到外刚内韧的效果,通过本文的研究,为提高牙轮钻头滑动轴承的耐磨性和抗疲劳性提供一种新方法和新思路,进而提高和稳定牙轮钻头的使用寿命。论文完成的主要工作和取得的研究成果如下：(1)通过对国内外文献的调研可知,牙轮钻头滑动轴承存在耐磨性差、黏着磨损失效和承受冲击载荷的问题,而激光淬火技术在提高零部件耐磨性和抗疲劳性方面有其独特的优势,本文首次将激光淬火引用到牙轮钻头球面浮动套轴承中,开创了一种提高牙轮钻头滑动轴承耐磨性和抗疲劳性的新方法和新思路。(2)考虑到牙轮钻头轴承的工作环境,本文以18CrNiMo7-6钢为轴承材料,对轴承的内外表面做渗碳处理,通过数值模拟研究可知：渗碳结束后轴承内外表面有0.8mm左右的渗碳层,含碳量都达到了0.8%左右。而轴承芯部有接近1.5mm的深度,含碳量都低于0.35%,最低值为0.3%左右,为之后进行激光淬火而得到外刚内韧的球面浮动套轴承打下坚实的基础。(3)为了得到更优的球面浮动套轴承激光淬火效果,本文对激光淬火的工艺参数,即扫描速度V、激光功率P和光斑尺寸D进行了对比优化研究,通过有限元分析得到牙轮钻头球面浮动套轴承激光淬火时较优的扫描速度为55mm/s,较优的激光功率为1.1kw,较优的光斑尺寸为φ3.5mm。(4)在优化的激光淬火工艺参数下,对牙轮钻头球面浮动套轴承进行激光淬火热处理后发现,轴承相变区中心点在不到0.3s的时间内,就能达到峰值温度,最大的加热速度达到了2.95×104℃/s,而且冷却也非常快,最大时能达到6.21×103℃/s。在这样快速加热和冷却的过程中,轴承相变区产生了大量的马氏体组织,在距轴承内外表面0.8mm左右的区域内,马氏体的体积分数可达92%左右。这使得球面浮动套轴承内外表面的硬化层深度达到了0.83mm左右,硬度达到了833.454HV,而轴承芯部有大约1.5mm左右的厚度,硬度值都在200HV左右,不仅提高了耐磨性,也实现了球面浮动套轴承的外刚内韧。同时,轴承激光淬火的相变区以压应力为主,热影响区以拉应力为主,说明轴承经激光淬火后将有利于提高自身的抗疲劳性。此外,将轴承激光淬火与常规淬火的数值模拟结果进行对比分析研究可知：球面浮动套轴承的激光淬火效果优于常规淬火,不仅提高了球面浮动套轴承的耐磨性,而且实现了轴承的外刚内韧,轴承在工作过程中既耐磨又能承受一定的冲击载荷。(5)本文对球面浮动套轴承进行了设计、制造、激光淬火现场试验,并对激光淬火处理后的球面浮动套轴承进行硬度分析,金相分析,结果发现：选用数值模拟方法优化后的激光淬火工艺参数对球面浮动套轴承进行激光淬火后,轴承表面并没有熔化的现象；轴承内外表面有大约0.9mm左右深度的针状马氏体组织；同时实验测得的轴承的最大硬度值达到了837.48HV,内外表面的硬化层深度达到了0.9mm左右,而轴承心部有大约1.8mm左右的硬度值都在200HV左右,达到了外刚内韧的效果,将实验值和模拟值对比发现,其变化趋势一致,吻合性较好,同时也验证了用数值模拟方法所优化的激光淬火工艺参数结果的正确性。
【关键词】：牙轮钻头 球面浮动套轴承 激光淬火 有限元分析 现场试验
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921.1;TG156.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-25
• 1.1 引言9-12
• 1.2 国内外研究现状12-23
• 1.2.1 牙轮钻头轴承的国内外研究现状12-16
• 1.2.2 激光淬火技术的概述16-20
• 1.2.3 激光淬火技术的国内外研究现状20-23
• 1.3 本论文的研究目的和意义23
• 1.4 本课题的研究内容及创新点23-25
• 第2章 球面浮动套轴承激光淬火有限元分析的理论25-36
• 2.1 轴承激光淬火过程温度场计算的理论基础26-29
• 2.1.1 激光淬火传热方式分析26-27
• 2.1.2 初始条件及边界条件的确定27-29
• 2.1.3 温度场分布的数学模型29
• 2.2 轴承激光淬火过程相变及硬度场计算的理论基础29-32
• 2.2.1 相变理论30-31
• 2.2.2 Leblond相变模型31-32
• 2.2.3 硬度场计算的基本原理32
• 2.3 轴承激光淬火过程应力场计算的理论基础32-35
• 2.3.1 热弹性本构方程32-33
• 2.3.2 基于增量理论的弹塑性本构方程33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 球面浮动套轴承激光淬火工艺参数的优化研究36-50
• 3.1 激光淬火的工艺参数及其相互作用36-37
• 3.2 工件材料的选取及物理模型的建立37-38
• 3.3 轴承渗碳过程数值模拟38-42
• 3.3.1 渗碳面的选取38-40
• 3.3.2 渗碳结果与分析40-42
• 3.4 激光淬火热源的处理42-44
• 3.4.1 SYSWELD中的热源模型42-43
• 3.4.2 热源的校核43-44
• 3.5 轴承激光淬火工艺参数的优化确定44-49
• 3.5.1 扫描速度的优化确定45-46
• 3.5.2 激光功率的优化确定46-48
• 3.5.3 光斑尺寸的优化确定48-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第4章 球面浮动套轴承激光淬火数值模拟结果与分析50-61
• 4.1 轴承激光淬火温度场数值模拟结果与分析50-54
• 4.2 轴承激光淬火硬度场数值模拟结果与分析54-56
• 4.2.1 组织转变54-55
• 4.2.2 硬度场的结果与分析55-56
• 4.3 轴承激光淬火应力场数值模拟结果与分析56-59
• 4.4 轴承激光淬火与常规淬火数值模拟结果对比分析59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 球面浮动套轴承单元件结构的设计与加工61-70
• 5.1 轴承单元件参数的确定61-62
• 5.2 相关夹具的设计与加工62-65
• 5.3 轴承单元件的加工65-69
• 5.3.1 轴承单元件加工工艺的制定65-67
• 5.3.2 轴承外表面加工程序的编制67-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第6章 实验设计方案70-78
• 6.1 实验目的70
• 6.2 实验设备70-71
• 6.3 实验步骤71-76
• 6.3.1 轴承表面的预处理71-72
• 6.3.2 轴承激光淬火处理72
• 6.3.3 表面状态观察72-74
• 6.3.4 显微组织观察74-76
• 6.3.5 显微硬度的测定76
• 6.4 结果与分析76-77
• 6.5 本章小结77-78
• 第7章 结论与展望78-80
• 7.1 结论78-79
• 7.2 下一步研究工作79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-87
• 攻读硕士期间发表的论文、专利及参与的科研项目87

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