铁钻工牙板阵列微结构表面制备方法及其耐磨损性能研究

发布时间：2020-04-26 12:21

【摘要】：针对ZQF216-110铁钻工牙板在长期高频、高负载工况条件下极易磨损的问题,采用阵列微结构表面技术,以提高其耐磨损性能。本文以提高牙板试件耐磨损性能为目的,开展了以激光制备理想阵列微结构为核心的研究工作。具体内容如下:(1)设计微结构基本尺寸,优化阵列微结构形式。首先根据牙板实际工况,利用Hertz接触理论计算出微结构的接触半宽上下限,从而确定微结构尺寸范围为0.6mm~1.0mm。然后针对直线沟槽、网状沟槽以及圆形微坑三种阵列微结构进行摩擦副运动仿真对比分析,优选出圆形微坑为理想的微结构形式。(2)激光加工温度场模拟。基于有限元软件,针对激光加工微坑和微槽的特点,分别建立定点高斯热源和移动高斯热源温度场模型,模拟分析激光加工微结构的三维形貌,获取后续试验工艺参数理论指导数据。(3)激光制备阵列微结构的工艺规律研究。借助超景深三维显微镜观测阵列微结构几何形貌,研究离焦量、单脉冲能量、脉宽、加工时间和频率等激光工艺参数对微结构尺寸的影响,总结激光制备阵列微结构的工艺规律。(4)摩擦磨损对比试验及结果分析。首先,对三种形式微结构表面的耐磨损性能进行比较,确认圆形微坑为耐磨性能较好织构形式。其次,对阵列微坑的尺寸参数进一步优化,耐磨效果最好的尺寸为直径为1mm,微坑间距为1.2mm。然后,对阵列微结构的耐磨损作用进行研究,磨损机制主要为磨粒磨损。耐磨损性能提高的主要原因有:一是在摩擦过程中的容屑作用,二是激光相变硬化作用,三是阵列微坑织构在摩擦过程中对犁沟起到破坏作用。最后,对未织构试件表面与织构化试件表面摩擦系数进行比较。本文研究工作表明,激光加工技术是一种制备阵列微结构的有效方法;该方法制备的阵列微结构表面能有效提高金属表面的耐磨损性能,理想形式为阵列圆形微坑,在相同摩擦条件下,相比未织构表面,阵列圆形微坑表面磨损量最多能减少90.89%。该技术有望应用于铁钻工牙板,有效提高其耐磨损性能。
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于陆上、海上多种钻井平台[1]。图 1-1 为江苏如石机械股份有限公司生产的ZQF216-110 型铁钻工，该铁钻工适用的最大管径为 216mm，最大扭矩是110kN·m。图 1-1 ZQF216-110 型铁钻工实物图图 1-2 为 ZQF216-110 型铁钻工结构示意图，铁钻工机器手包括旋扣钳○8 和主钳○9 。主钳由上钳和下钳组成，其作用是用来完成上扣和卸扣的动作，为旋扣钳的旋扣动作提供准备。所谓“扣”指的就是钻具中的螺纹连接，所谓“上、卸”指的是将螺纹连接进行紧固或放松的过程。铁钻工完成对钻杆（或钻铤）的上扣或卸扣一个循环须经七个步骤，即具有七个动作。分别为：钳体的前后移动、旋扣钳○8 的正反转、旋扣钳○8 的夹紧与松开、下钳颚板的夹紧与松开、上钳颚板的

钻工,型铁,钳体,结构示意图

图 1-2 ZQF216-110 型铁钻工结构示意图铁钻工工作时具有七个主要动作：1）钳体Ⅰ的前后移动：实现钳体向井口方向移动，作业完成后的退回。该机构在升降架○16与钳架○12之间的一对平行四杆机构Ⅱ，实现钳体Ⅰ的前后移动，并保证钳头在移动过程中与钻台面的高度相对不变，使钳头移运平稳。2）旋扣钳○8 的旋扣：旋扣钳分左右钳体，每个钳体均安装两个滚子○28 ，每个滚子两端均由两个液压马达直接驱动，滚子可正反向旋转带动钻杆旋扣作业。3）旋扣钳○8 的夹紧与松开：旋扣钳的左右钳体间通过夹紧液缸伸缩使左右钳体张开或合拢，钳体合拢后使滚子○28充分压紧钻杆，保证旋扣作业的实现。4）下钳○27 颚板的夹紧与松开：主钳分上下钳体，下钳内有一对颚板，通过液缸的移动实现对钻杆接箍（母接头）的夹紧或松开，下钳钳体○27与钳架○12固定。5）上钳○26 颚板的夹紧与松开：主钳的上钳内也有一对颚板，通过液缸的移动实现对钻杆接箍（公接头）的夹紧与松开，上钳体座落在下钳体上，可沿下钳体同轴、双向转动，，实现钻杆的紧扣和冲扣。6）主钳○9 的上扣和卸扣：主钳的上下钳体间的错角是实现钻杆紧扣和冲扣
【学位授予单位】：南通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE92

【参考文献】