牙轮钻头空心圆柱滚子轴承力学行为研究

发布时间：2019-08-20 10:00

【摘要】：牙轮钻头是石油钻探工程中主要的破岩工具,其寿命和工作性能对钻井质量、钻井效率及钻井成本有重要影响。轴承系统作为牙轮钻头的关键部分,其快速失效是导致钻头寿命低的主要原因。本文综合考虑结构载荷和热载荷的影响,利用有限元、接触力学、摩擦磨损和热力学等基础理论知识,结合试验研究,从分析整个牙轮钻头滚动轴承系统的工作特性入手,运用仿真软件ANSYS完成了牙轮钻头空心圆柱滚子轴承的力学行为研究工作,并进一步探讨了各关键工程参数对轴承接触力学特性及热力耦合场的影响规律。本文主要完成了以下几个方面的工作： (1)研究了牙轮钻头滚动轴承的工作特性、结构特点、材料及工艺；分析了牙轮钻头滚动轴承的主要失效形式,分别为断裂失效、塑性变形、磨损、烧蚀以及密封失效；对牙轮钻头滚动轴承的受力情况进行了研究,推导和计算了轴承系统在钻进过程中的轴向载荷、径向载荷及周向摩擦力矩。 (2)以流体动压润滑和Hertz接触理论为基础,设计了测试牙轮钻头滚动轴承摩擦磨损性能的销-盘单元试验方案,研究了不同工况条件下单元试件的摩擦因数、温度及磨损量的变化规律,为轴承的力学特性分析提供了必要的材料性能参数。 (3)建立了牙轮钻头滚动轴承有限元计算模型,并对其在不同工况下的力学性能进行了数值模拟,结果显示,钻压和配合间隙对轴承性能的影响较为显著,摩擦因数对轴承静力学性能的影响较小,滚子个数和外径对轴承性能的影响不具有明显的规律性。 (4)为了改善牙轮钻头滚动轴承中大圆柱滚子的受力状态,将实心滚子改成空心结构,并对不同工况下牙轮钻头空心圆柱滚子轴承的力学性能进行了有限元分析。结果发现,随着空心度的增大,轴承各部件的等效应力峰值、止推面和小轴颈面的接触应力峰值均呈现出先减小后增大的趋势,当空心度为55%时达到最小值,而空心滚子的接触应力峰值逐渐减小；钻压、摩擦因数、滚子个数和外径、配合间隙等工程参数对空心结构轴承性能的影响规律与实心结构轴承较为相似；相比于常规型空心滚子,合理结构参数的圆锥型凹端空心滚子的应力峰值减小,且端部应力集中现象有所改善。 (5)研究了轴承的发热量及对流换热计算模型,采用有限元法对实心和空心结构牙轮钻头滚动轴承进行了温度场分析和热力耦合场分析,同时探讨了空心度、钻压、摩擦因数、转速和井温等工程参数对空心结构轴承热力耦合场的影响规律。结果表明,温升是影响轴承力学性能的一个重要因素；与实心结构轴承相比,合理空心度的空心结构轴承各部件的温度、应力及位移峰值均明显减小。文中的研究成果为牙轮钻头滚动轴承的结构设计与改进提供了一定的理论依据,对提高牙轮钻头滚动轴承的使用寿命和可靠性有一定的参考价值。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE921.1

【参考文献】