钢齿牙轮钻头滑动轴承接触应力分析与间隙优化

在石油钻探工程中牙轮钻头承担着极为重要的作用,其工作寿命与钻井性能对工程质量、效率和成本都有重大影响。轴承作为牙轮钻头最重要的结构,其表面接触应力分布及其不均匀是导致轴承结构失效的最主要原因,因此有必要对轴承接触应力分布和大小进行分析研究。利用Creo与Pro/E软件对牙轮钻头滑动轴承副结构进行了3D实体模型的搭建,利用ANSYS软件建立了牙轮钻头滑动轴承接触应力的有限元分析模型,并得出轴承接触应力分布图与接触应力峰值。通过上述途径方法成功对12种不同的间隙值对应的滑动轴承受力情况作出了计算分析,清晰地看到牙轮受力时滑动轴承表面应力的分布情况,通过峰值比较优选出了使寿命最长的孔轴间隙值。     

航空发动机主轴轴承内圈配合表面压力及影响因素研究

针对航空发动机主轴与轴承内圈发生相对转动,两者配合表面出现严重磨损的故障。首先用理论方法和有限元法分别计算了轴承内圈与主轴配合表面的接触压力,然后分析了轴向预紧载荷、工作温度、主轴转速三种因素对该接触压力的影响。发现:轴承内圈与主轴过盈配合安装时配合表面的接触压力分布不均匀,边缘处出现峰值,理论解略偏于安全;轴向预紧载荷对轴承内圈与轴配合表面的接触压力的分布和数值影响不大;工作温度和转速对轴承内圈与主轴配合表面的接触压力均有显著的影响,接触压力随着温度升高和转速增加而下降;如果不考虑轴系所受外载荷轴承内圈与主轴配合表面的接触压力可能会降低为0。该研究对于设计主轴轴承的装配过盈量具有一定的指导意义。     

牙轮钻头滑动轴承失效分析

收集了近几年20只现场失效牙轮钻头,对其轴承表面金相组织和硬度以及影响牙轮钻头滑动轴承失效的主要因素进行了分析。结果表明,牙轮钻头在工作过程中温度升高引起的轴承表面金相组织发生改变、硬度降低、抗磨性能减弱,是导致牙轮钻头轴承在高转速下快速失效的根本原因;牙轮钻头轴承的主要失效形式就是粘着磨损,其中载荷工况、相对滑动速度和表面涂层是影响牙轮钻头滑动轴承摩擦学性能的主要因素;采用在原轴承基础上加入浮动套的方法降低原轴承的相对滑动速度,是目前提高牙轮钻头滑动轴承摩擦学性能,延长轴承在高速钻井下使用寿命的有效途径。     

大偏心下滑动轴承热弹流润滑状态及特性*

滑动轴承在大偏心条件下工作时，热效应及弹性变形使得油膜润滑状态发生变化，进而影响摩擦特性。为此建立耦合轴瓦弹性变形、轴颈轴瓦粗糙峰接触、油膜温度分布及黏温-黏压关系的滑动轴承混合润滑模型，采用有限差分法求解得到不同工况下油膜压力场、温度场分布，分析热效应及弹性变形对润滑状态转变及轴承各特性参数的影响；搭建实验台测量试件内表面温度分布，测试结果验证了计算模型的正确性。结果表明：大偏心时热效应和弹性变形使得油膜润滑状态出现转化；粗糙峰的接触使摩擦热增加，且在最小油膜处形成温度峰值；热效应和轴瓦弹性变形使得接触压力峰值集中在轴承两端，承载能力和摩擦力均有所下降。     

一种基于概率-证据理论的滑动轴承可靠性优化设计*

针对传统的滑动轴承优化设计中,忽略了不确定因素对滑动轴承的影响,提出一种新的滑动轴承可靠性优化设计方法。在该优化中,由于部分参数存在认知不确定性,利用概率论和证据理论表示不确定参数的分布。将概率论、证据理论和一次二阶矩法相结合,构建基于概率-证据理论的滑动轴承可靠性优化设计模型,并采用遗传算法对滑动轴承进行优化设计。算例结果表明,采用新方法优化后滑动轴承的承载能力明显提高了60%,摩擦因数减小10%,发热量降低6.9%。虽然可靠性优化设计方法相对于确定性优化设计方法降低了轴承的部分最优设计参数,但是滑动轴承的润滑可靠性显著提高,能够降低润滑失效带来的轴承故障,具有较高的工程实用性。     

紊流润滑滑动轴承壁面压力脉动效应研究

壁面压力脉动是紊流润滑滑动轴承随机振动的主要激励源之一,建立紊流激励特性和轴承结构动力学响应之间的关联,对高转速、低黏度润滑滑动轴承的状态监测和故障诊断具有重要意义。为研究紊流润滑滑动轴承的壁面压力脉动效应,考虑流体油膜中存在逆压力梯度的影响,选用Rozenberg模型和广义Corcos模型表征壁面压力脉动的自功率谱和互功率谱,采用波数域模态叠加法求解滑动轴承紊流壁面压力脉动模型,分析滑动轴承在不同工况参数下壁面压力脉动的激励特性以及结构的响应特性。结果表明：低波数区域紊流脉动压力是轴承结构高频随机振动的主要因素;随着润滑油黏度的降低,高频范围内的轴承模态响应幅值增大,共振峰值附近产生较宽的频带和较高的振幅;随着轴颈转速和径向载荷的升高,紊流压力梯度增大,高频范围内的轴承模态响应幅值也随之增大。     

阻尼可控磁流体滑动轴承的磁场研究及仿真分析

设计了一种新型的阻尼可控磁流体滑动轴承,为了探究外加电流与工作区域磁感应强度的关系,验证该轴承磁路设计的合理性,利用有限元分析软件ANSYS对磁流体滑动轴承的磁场模型进行了分析并搭建了磁场发生器磁场测试系统,通过理论研究和实验测试,对比分析了磁流体滑动轴承内部的磁场强度。结果表明,工作区域的磁感应强度B与外加电流强度I成正比;该轴承内部的磁力线分布均匀,实验结果与仿真结果相吻合,验证了磁流体滑动轴承设计的合理性。     

基于响应面法的牙轮钻头球面浮动套优化设计

为了提高牙轮钻头滑动轴承的寿命,消除球面浮动套的边缘应力集中现象,采用响应面法与有限元方法相结合对球面浮动套圆槽结构进行全面的优化。建立以浮动套外球面、内表面的接触线上中间应力σ_m与端部应力σ_e差值为目标函数,分别为σ_1、σ_2,以圆槽圆心到浮动套内表面的距离h、圆槽的半径r、圆槽圆心到浮动套端面的距离t为设计变量的优化数学模型。通过对模型的回归分析,求得圆槽的最优控制参数:r=0.53 mm、t=0.07 mm、h=1.10 mm。运用有限元仿真分析对最优结构参数进行可靠性验证,结果表明,优化后的球面浮动套内表面和外球面的接触应力分布较为均匀,降低了边缘应力的集中。     

钻井液污染润滑脂对牙轮钻头轴承摩擦学性能的影响

高温或冲击载荷会引起钻井液泄漏进入复合锂基润滑脂,从而影响牙轮钻头滑动轴承润滑及摩擦磨损性能。采用MCR102旋转流变仪对含有不同质量分数钻井液的复合锂基润滑脂进行流变性测试,并采用MDW-1型摩擦磨损试验机开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下轴承单元摩擦学实验,研究钻井液质量分数对轴承摩擦磨损性能的影响。结果表明:钻井液的污染将降低润滑脂的黏度,改变润滑脂的流变性能;钻井液的污染总体上增大了滑动轴承单元摩擦因数及摩擦因数波动幅度,同时加大轴承的磨损,且在高转速下,润滑脂中较低含量的钻井液就会使滑动轴承单元的摩擦磨损达到最大值;钻井液中的超细碳酸钙和重晶石颗粒引起的磨粒磨损和犁沟效应,可能导致滑动轴承快速失效。     

牙轮钻头用深穴空心滚子轴承的数值研究

牙轮钻头中轴承系统与硬质合金镶齿钻头牙齿的寿命不匹配,成为制约其使用寿命的一个重要因素。为此,在牙轮钻头用空心圆柱滚子轴承的基础上,设计了一种深穴空心滚子轴承,除了具备空心结构滚子的优点外,避免了在滚子端部出现应力集中现象。同时,建立了不同结构滚子轴承的有限元模型,进行了应力分析,并研究了深穴深度和深穴直径对滚子力学性能的影响。结果表明:深穴空心滚子的力学性能优于实心滚子、空心滚子和深穴滚子;随着深穴深度和深穴直径的增大,滚子两端的等效应力和接触应力逐渐减小,而中间部位的应力却逐渐增大;以Ф215.9 mm牙轮钻头滚动轴承为例,建议其深穴直径为7 mm,深穴深度为2 mm较为适宜。最后,设计了一种填充式复合滚子轴承,可以有效地提高轴承的疲劳寿命,建议在钻进过程中可以根据不同地层合理选择轴承滚子结构。