牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究

发布时间：2020-07-21 14:12

【摘要】：如何提高现有牙轮钻头轴承的工作性能，延长其在高转速下的使用寿命，是目前钻井工程领域迫切需要解决的问题之一。本文通过对牙轮钻头轴承主要失效形式和原因的分析，找到了延长牙轮钻头轴承使用寿命的理论依据。以流变学、摩擦学及流体动力润滑理论为基础，将理论研究与单元实验相结合，开展了牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究。在一定假设的基础上，推导了适用于牙轮钻头滑动轴承工况条件的Reynolds方程，并首次将粗糙表面的润滑理论应用到牙轮钻头轴承的研究中，建立了动载荷下牙轮钻头浮动套轴承热流体动力润滑分析的数学模型，完成了牙轮钻头浮动套轴承工作性能仿真软件的研制，并通过实验对数学模型和仿真软件进行了验证。为开展高速牙轮钻头轴承系统工作机理的研究，改进现有牙轮钻头轴承的结构，进一步提高我国牙轮钻头的综合性能提供了新的理论和方法。本文的主要研究成果如下： (1)对现场失效牙轮钻头轴承的表面进行了金相分析和硬度测试，发现钻头在工作过程中温度的升高使得轴承表面金相组织发生改变，导致抗磨性能减弱，使轴承磨损速度加快，找到了牙轮钻头轴承在高转速下快速失效的根本原因； (2)在不同温度和不同剪切速率条件下，完成了牙轮钻头专用润滑脂的流变性实验。并以此为基础建立了该润滑脂的流变模型，得到了其名义粘度随温度和剪切速率的变化规律，找到了该润滑脂适用的最佳工况，为牙轮钻头轴承润滑参数的计算提供了实验依据； (3)系统分析了稳定载荷下浮动套轴承结构参数与其内外偏心率、转速比、摩擦系数和承载能力等参数之间的变化关系。发现在轴承半径和长度一定时，浮动套内外间隙值是直接影响其工作性能的关键因素，并找到了各参数之间相互影响的变化规律，为牙轮钻头浮动套轴承单元实验试件的设计和实验方案的拟订提供了理论依据； (4)在一定假设条件下，推导了适用于牙轮钻头轴承润滑工况的Reynolds方程。并将粗糙表面的润滑理论应用到牙轮钻头轴承的研究中，以基于平均流量模型的粗糙表面部分润滑状态Reynolds方程和能量方程为基础，建立了动载荷下粗糙表面牙轮钻头浮动套轴承热流体动力润滑的数学模型，并进行了求解，为开展牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究奠定了理论基础； (5)完成了牙轮钻头浮动套轴承工作性能仿真软件的研制，并在不同工况条件下，对8 1／2”牙轮钻头不同结构参数的浮动套轴承工作性能进行了仿真研究。得到了在一定间隙配合下，牙轮钻头浮动套轴承润滑膜压力、扭矩、温度及摩擦系数随牙轮转速和径向载荷的变化规律，为给定工况下牙轮钻头浮动套轴承的设计与优化提供了摘要理论依据和技术手段; (6)完成了81/2’，牙轮钻头浮动套轴承的单元实验研究。得到了不同工况以及不同间隙配合下牙轮钻头浮动套轴承的扭矩、温度、浮动套转速以及磨损量和磨损速度等数据，实验结果进一步验证了所建立数学模型和仿真软件的正确性。实验中发现，浮动套可以取代原牙轮钻头轴承中合金槽的作用，进一步简化了牙轮钻头的设计和加工工艺，降低了牙轮钻头的制造成本。总之，本文的研究工作为推广高速钻井等现代钻井技术提供了技术支持，将进一步推动我国钻井新技术的发展，降低钻井成本，增强我国牙轮钻头在国际市场上的竞争力，为国家创造更大的经济效益。因此，本文的研究工作不仅具有重要的理论意义和学术价值，而且具有广泛的应用前景。关键词:牙轮钻头，浮动套轴承，机理研究，模型建立，软件开发，实验研究
【学位授予单位】：西南石油学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TH133.3
【图文】：

金相图,牙爪,金相图,轴颈

低淬火钢的内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏，回火后硬度一般在HRC6)65的范围之内。测定结果发现部分轴承硬度变化不大，显微组织为回火马氏体，如图2.5a所示，显微硬度依然在HV700，800(相当于HRC60一HRC65)。但大部分轴承的显微组织中不同程度的出现了回火屈氏体，如图2.5b所示，这些地方的显微硬度均降低到HV50卜700(相当于HRC50~60)。回火屈氏体的产生温度一般在300一500℃，在热处理工艺中属于中温回火。其目的是获得高的屈强比、弹性极限和一定的韧性，但同时工件的耐磨性和硬度会相应降低，一般在HRC30一50左右。a.某硬度为HRC62的牙爪轴颈金相图b.某硬度为HRC56的牙爪轴颈金相图图2.5火效后不同硬度才轮钻头牙爪轴颈的金相图表2.2中列出了所收集钻头中6只由于轴承失效导致钻头无法正常工作的牙轮钻

曲线图,牙轮钻头

流变实验室进行的，实验仪器为HAAKEVT500型旋转粘度计、MVI测量系统、HAAKEF3一C精密恒温水浴(控温精度士0.1℃)，水浴循环介质为液体石蜡(馏出温度300℃)，测定的温度范围为50一150℃，如图3.2所示。实验测定的原始数据详见附录A。根据实验所测流变性数据，绘制了在温度范围50一150℃时RB型润滑脂剪切应力与剪切率的变化曲线图，如图3.3所示。从图3.3上可看出，该型号牙轮钻头所用润滑脂在所测温度范围内剪切应力与剪切速率呈线性关系，表现为典型的Bingham(塑性)流体。

浮动套轴承,牙轮钻头,压力分布,浮动套

7.4本章小结在本文第6章的基础上，完成了牙轮钻头浮动套轴承热流体动力润滑计算机仿真分析软件的研制，并利用该仿真分析软件对81/2”牙轮钻头浮动套轴承在不同工况和不同结构下的摩擦学性能进行了仿真分析。仿真分析结果表明:.当牙轮钻头浮动套轴承的间隙配合为内大外小时，浮动套转动正常，当内外间隙比在2.0一3.0时，载荷不变时浮动套轴承的转速比在0.43一0.%之间变化，内外轴承同时工作，可以起到降低相对滑动速度、减小摩擦功率损耗和降低温升的作用;.当浮动套转动时，随着载荷的增加，浮动套转速呈下降趋势，当载荷不变，牙轮转速增加时，浮动套轴承转速比下降;.当间隙比进一步增加到4.0以上时，重载荷工况下浮动套有相对转动，当径向载荷较小时(<2okN)，由于外油膜摩擦力过大，浮动套完全随牙轮转动，即浮动套与牙轮之间无相对转动，此时外摩擦副停止工作，不能起到降低相对滑动速度、降低摩擦损耗的作用;

【引证文献】