牙轮钻头轴承表面织构加工及其对摩擦学性能影响的研究

发布时间：2017-09-23 19:11

  本文关键词：牙轮钻头轴承表面织构加工及其对摩擦学性能影响的研究

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【摘要】：牙轮钻头是石油钻井主要的钻井工具之一。在高温、低速、重载和混合润滑的特殊工况下,钻头轴承极易发生磨损失效,轴承寿命成为牙轮钻头发展的瓶颈之一。仿生织构已被证明是一种能在恶劣工况下提高滑动表面摩擦学特性的有效方法,并在许多领域得到应用,但鲜有关于表面织构在石油装备(如牙轮钻头滑动轴承)上应用的报导。本文开展了表面织构在牙轮钻头滑动轴承上应用的加工及其对摩擦学性能影响的相关研究,主要研究成果如下：(1)结合牙轮钻头滑动轴承和现有MDW-1型摩擦磨损实验机的摩擦副形式,设计了8 1/2"牙轮钻头滑动轴承在90KN钻压下的销-盘摩擦副室内等效单元实验方案,并基于赫兹基础理论确定室内销-盘等效单元实验的实验参数：载荷为420N,转速为120转/分,温度为100℃,润滑介质为复合锂基润滑脂。(2)借助JDPMS_80A精密雕刻机采用三种不同的走刀方式,加工了300μm～800μm七种直径的织构。对每种直径的织构进行了底部形貌和尺寸精度进行的分析,并得出：走刀方式对织构直径精度无影响；当直径大于400μm时,可采用雕刻的方法。并使用精密雕刻机加工了四种不同织构直径的实验盘试件。(3)使用纳秒激光打标机在铍青铜试件表面加工了100μm～700μm七种直径的织构。对每个试件进行了三维轮廓和壁面微观结构的分析得出：由于纳秒激光熔融堆积物的影响,当织构直径范围在200μm～600μm之外时,不适合采用纳秒激光加工。并使用纳秒激光加工了四种不同织构直径的实验盘试件。(4)设计和搭建了飞秒激光加工实验平台,研究了飞秒激光功率(0.16W-0.54W)和脉冲数(100～300个)与烧蚀直径和深度的关系。由于激光功率和等离子屏蔽作用的影响,当织构直径大于3001xm时不适合采用飞秒激光烧蚀加工。设计了盘试件表面飞秒烧蚀加工方案并加工了五种不同织构直径的实验试件。(5)对前述十三种(26个)不同织构直径试件分别进行了时长为2小时的摩擦磨损实验,并对平均摩擦系数,销、盘磨损量等结果进行了分析,得出：精密雕刻表面织构实验组减磨效果不明显,采用纳秒激光和飞秒激光加工的表面织构能够有效的减小磨损,且飞秒激光实验组略优于纳秒激光实验组。综上所述,本文创新的将仿生摩擦学中的表面织构引入到牙轮钻头滑动轴承中,研究了三种加工方式适用的织构直径,通过等效单元实验证明了表面织构能够降低摩擦系数和磨损量,延长滑动轴承的使用寿命,并优选了织构加工方法。论文研究结果为织构化牙轮钻头滑动轴承的加工方法和织构直径选择提供依据,具有广泛的应用前景和研究价值。将进一步提高我国牙轮钻头产品质量和增强我国高速牙轮钻头产品的国际竞争力。
【关键词】：摩擦学 轴承 表面织构 微加工 牙轮钻头
【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
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-29
• 1.1 研究背景8-10
• 1.2 表面织构润滑减磨技术简介10-12
• 1.2.1 表面织构简介10-11
• 1.2.2 表面织构的润滑减磨原理11-12
• 1.3 牙轮钻头滑动轴承国内外研究现状12-13
• 1.4 表面织构技术国内外研究现状13-21
• 1.5 表面微结构加工技术21-26
• 1.6 课题的来源及主要研究内容26-28
• 1.7 本文的创新点28-29
• 第2章 牙轮钻头滑动轴承等效摩擦实验方案设计29-37
• 2.1 摩擦磨损实验设备29
• 2.2 摩擦实验方案设计29-32
• 2.3 等效实验载荷计算——基于Hertz理论32-35
• 2.4 摩擦磨损实验方案设计35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 不同织构加工工艺研究及优缺点分析37-59
• 3.1 表面织构精密雕刻机械加工37-42
• 3.1.1 精密雕刻设备及方法37-38
• 3.1.2 加工参数的选择38-39
• 3.1.3 精雕织构加工测试39-41
• 3.1.4 刀具磨损及断刀41-42
• 3.2 表面织构纳秒激光热烧蚀加工42-47
• 3.2.1 纳秒激光加工原理及特点42-43
• 3.2.2 纳秒激光加工设备43-44
• 3.2.3 纳秒激光加工三维形貌分析44-47
• 3.3 表面织构飞秒激光织构非热加工47-55
• 3.3.1 飞秒激光非热加工原理47-49
• 3.3.2 飞秒激光加工实验平台设计49-51
• 3.3.3 飞秒激光非热加工表面形貌分析51-52
• 3.3.4 飞秒激光加工参数对织构尺寸的影响52-54
• 3.3.5 摩擦试件飞秒激光加工方案设计54-55
• 3.4 三种加工方法优缺点比较55-58
• 3.5 本章小结58-59
• 第4章 摩擦学性能测试59-69
• 4.1 各实验组摩擦系数59-60
• 4.2 各实验组销、盘磨损量60-61
• 4.3 各实验试件的表面磨损形貌参数测量61-63
• 4.4 摩擦性能评定参数之间的关系63-65
• 4.5 摩擦磨损机理分析65-67
• 4.6 本章小结67-69
• 第5章 结论及建议69-71
• 5.1 结论69-70
• 5.2 后续研究工作展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-79
• 附录1 实验试件编号及相关参数79-80
• 附录2 磨损表面形貌80-84
• 附录3 各实验试件的表面轮廓曲线84-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果87

【参考文献】

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本文编号：906979