高速滑动轴承三牙轮钻头的研制与探讨

目前的ＸＨＰ系列钻头只适合于高钻压，低转速的工作参数下作用，而现场为了提高钻井速度，降低成本和提高经济效益，往往要求提高钻头的使用转速，显然，ＸＨＰ系列钻头的轴承寿命与此不相适应。为此，开发了能适应高速转速工作参数下保持较长寿命的高速滑动车承钻头。     

牙轮钻头滑动轴承的特殊性及主要研究方向

牙轮钻头滑动轴承与一般机械滑动轴承相比 ,在滑动轴承结构、承受的载荷、轴承的工作环境和滑动副之间的相对转速等方面都具有特殊性。牙轮钻头滑动轴承的失效解剖分析表明 ,最终导致轴承失效的主要形式一种是轴承密封系统损坏而导致磨料磨损失效 ;另一种是密封润滑系统工作正常时最终导致粘着磨损失效 ,而影响粘着磨损的主要因素有轴承的摩擦系数、表面压力大小及分布和相对滑动速度。今后牙轮钻头滑动轴承主要研究方向是滑动轴承密封系统(密封圈和传压补油装置 )的研究 ;轴承摩擦系数的研究 ;轴承表面压力大小及分布的研究。     

牙轮钻头滑动轴承材料抗胶合性能的试验研究

严重的粘着磨损，即胶合，是三牙轮钻头滑动轴承最主要的失效形式，是影响钻头工作寿命和机械钻速的制约因素，在工况条件相同的前提下，评价牙轮钻头滑动轴承材料抗胶合性能的参量应该是压强与滑动速度乘积的极限值，滑动摩擦因数和粘着磨损量，现文介绍并研究了几种材料这３个参量的测试方法及结果，该方法用于评定牙轮钻头滑动轴承材料的抗胶合性能是可行的，也可用于评定共它金属或合金的抗胶合性能。     

牙轮钻头滑动轴承稀土CNSB多元共渗工艺

牙轮钻头滑动辆承的发展趋向是“以硬代软”,凡能提高材料硬度和减小摩擦副材料之间亲合粘结力的热处理方法,均可提高其抗胶合性能。文中介绍了滑动轴承材料１５ＣｒＮｉ３ＭｏＡ钢试件碳、氮、硫、硼多元共渗工艺。通过显微组织、显微硬度及摩擦学性能测试表明,稀土多元共渗渗层相结构及硬度分布恰恰有利于提高１５Ｃ钢的抗粘着磨损能力。该工艺用于牙轮钻头滑动轴承是可行的。     

牙轮钻头滑动轴承磨损的计算机仿真

在美国Ｍａｒｓｈｅｋ和Ｃｈｅｎ提出的理论基础上，详细分析了牙轮钻头滑动轴承在不对中情况下与牙轮接触的情形，并采用新的确定两体接触区域的方法，在考虑而体之间摩擦的情况下推导了轴承间隙的一般表达式。通过计算机上运行所编制的仿真模型可以得到任意时刻轴承系统的工作状态、轴承副各部位的接触应力和线性磨损量。用该仿真模型可预测轴承系统寿命和改进轴承结构参数，从而可提高轴承系统的使用寿命。     

关于牙轮钻头滑动轴承配合间隙的讨论

牙轮钻头大径向滑动轴承的配合间隙值对整个钻头的工作性能有很大影响。从润滑理论的分析表明，最小油膜厚度随半径间隙变化的幅度很小；从接触力学理论的分析表明，适当减小径向间隙值，可以降低轴承接触压力峰值；从摩擦发热角度的分析表明，减小配合间隙可以降低摩擦发热和磨损量；普通合金钢滑动轴承半径间隙值不小于0．05mm，硬质合金硬-硬轴承半径间隙不小于0．035mm时可避免出现热卡死现象。最后结合牙轮钻头实际制造过程，提出适当减小现有轴承径向间隙值的措施。     

单牙轮钻头滑动轴承组接触应力分布研究

为了提高单牙轮钻头滑动轴承的使用寿命 ,采用有限元软件对其轴承组的接触应力分布进行了研究。得出结论 :(1)接触应力的大小与轴承组的磨损情况直接相关 ,通过降低轴承组的最大接触应力及使接触应力的分布更合理可改善其磨损 ;(2 )钻头的最大接触应力出现在止推面 ,在保持牙轮和牙爪止推面垂直度接近的前提下 ,尽量同步减小其垂直度可降低最大接触应力 ;(3)止推面接触应力呈明显的上大下小的阶梯分布 ,适当增加小轴颈的直径 ,可使止推面接触应力分布更均匀 ;(4)调整牙轮止推面和小轴孔之间的倒角可降低倒角处应力 ;(5 )只有合理的轴倾角才能使外载荷的合力方向垂直向上 ,以避免钻头过大摆动而影响钻进。     

三牙轮钻头滑动轴承副接触有限元分析

采用ANSYS分析软件的参数化设计语言APDL,利用接触问题的有限元法,对三牙轮钻头牙轮和牙爪间的间隙进行了分析和研究。首先建立了三牙轮钻头滑动轴承三维模型,然后利用网格划分技术对牙轮和牙爪进行网格划分和单元属性定义,最后施加边界条件进行接触有限元分析求解。通过调整间隙,得出不同间隙的轴承接触Mises应力峰值。经过分析比较,推荐轴承Mises应力峰值较小的尺寸间隙,用以指导生产。     

确定牙轮钻头组合滑动轴承形状公差新方法

高精度组合滑动轴承形状公差的理论计算一直是一个难题。根据通用滑动轴承的表面几何特性,研究了形状公差与滑动轴承的接触强度之间的关系,提出了用接触强度极限设计原理确定形状公差的一种新方法。利用该方法,研究了牙轮钻头组合滑动轴承的小径孔圆柱度公差、大径孔的圆柱度公差和止推面垂直度公差的变化规律。结果表明,当形状公差超过某一临界值时,其接触应力会急剧上升。     

牙轮钻头滑动轴承润滑状态分析

本文通过对牙轮钻头滑动轴承磨损原因的探讨，分析了轴承润滑状况，指出改善润清条件的基本途径，为以后润滑脂的研究指明了方向。     

模糊正交法在钻头轴承磨损性能研究中的应用

应用模糊正交的理论与方法,在建立牙轮钻头滑动轴承磨损性能多目标隶属函数的基础上,以模糊综合评价值作为目标函数,对影响轴承磨损性能各因素的主效应,两两因素之间的交互效应及全部因素水平搭配之间的交互效应进行了综合分析,弥补了方差分析只能研究单目标问题,不能全面反映实际情况的不足,为正确选择和配用滑动轴承材料提供了依据。各因素对牙轮钻头滑动轴承影响程度依次为配对副材料、润滑油粘度、下试样表面粗糙度、润滑油清洁度,除配对副材料外,润滑油对钻头滑动轴承的磨损性能也有重要影响。     

含渗碳层和铜合金牙轮钻头轴承的面接触分析

应用ANSYS的参数化设计语言APDL, 研究了牙轮钻头滑动轴承表面渗碳层和镶嵌的铜合金对轴承强度的影响。首先建立了牙轮钻头滑动轴承三维接触有限元模型, 然后利用网格划分技术分别对其表面渗碳层、镶嵌的铜合金和钻头本体进行网格划分和单元属性定义, 最后施加边界条件进行接触有限元分析求解。结果表明, 轴承接触应力峰值和Mises应力峰值位于铜合金和渗碳层结合部位。这一现象与实际使用的牙轮钻头滑动轴承失效的部位相吻合, 说明接触有限元分析的结果是正确可靠的。     

基于双谱估计的牙轮钻头故障诊断方法

基于高阶谱能够抑制高斯信号,并且可以在较强的背景噪声中提取故障信息的特点,在分析高阶累积量与高阶谱的理论基础上,针对牙轮钻头运转中振动信号的非线性、频谱成分多样性和二次相位耦合性等特点,研究了基于高阶谱分析的机械故障特征提取方法,提出了基于双谱估计的钻头故障诊断方法。试验结果表明,双谱估计方法不仅能有效地区分出正常牙轮和故障牙轮,也能很好地区分出牙轮不同的故障类型;能有效地抑制高斯噪声,可以在较强的背景信号中有效地提取故障信号;可作为牙轮钻头早期故障诊断的量化指标。     

牙轮钻头大圆弧鼓形滚子轴承设计

大圆弧鼓形滚子轴承对牙轮牙爪轴的轴线相互倾斜具有调节功能，因此实际接触应力相对较低，承载能力高，寿命长。它用于三牙轮钻头，特别是大规径钻头和高速钻头，是一种较好的轴承结构形式。在分析三牙轮钻头轴承结构和载荷特点的基础上，探讨了三牙轮钻头鼓形滚子轴承设计的原理和方法，以限制轴承的塑性变形为出发点，建立了鼓形滚子设计时应满足的接触静强度条件和几何条件，给出了有关的计算公式，并对钻头轴承的接触疲劳强度问题作了简要分析。     

新型高速牙轮钻头圆锥滚子轴承承载能力分析

研究了新型G8~1／2高速牙轮钻头圆锥滚子轴承承载能力。简化分析了圆锥滚子轴承满装型结构的平均Hertx接触应力，经计算，G8~1／2钻头的最大平均Hertz接触应力仅为现有G8~1／2XMP型钻头的三分之二。利用数值计算方法研究了圆锥滚子的非Hertz接触问题，结果表明圆锥滚子小端为高接触压力区，滚子两端接触压力的奇异性是钻头轴承疲劳失效的主要原因。同时提出提高轴承承载能力与使用寿命的措施：最有效的方法是对直母线圆锥滚子采用Lundberg凸型进行修型。     

牙轮钻头采用空心圆柱滚子轴承的理论探讨

为了提高牙轮钻头滚动轴承的抗接触疲劳能力 ,提出在牙轮钻头滚动轴承中采用空心圆柱滚子的方案 ,在对其接触情况进行了深入研究。首先应用弹性曲梁理论分析了单个空心圆柱滚子在径向对顶集中压力作用下的压缩变形以及滚子内外圆柱面上的拉压应力分布情况 ,并采用当量弹性模量法计算其与半空间平面接触时的接触应力分布。为了分析空心圆柱滚子轴承的载荷分布 ,在分析滚子与内外滚道接触变形量构成的基础上 ,提出了空心圆柱滚子载荷分布的迭代算法。结果表明 ,无论是单个滚动体的最大接触应力 ,还是整个轴承的载荷分布情况 ,只要有效控制空心滚子的空心度 ,采用空心圆柱滚子都将优于相应的实心圆柱滚子     

牙轮钻头圆柱滚子轴承的理论研究

滚动轴承牙轮钻头因摩擦扭矩小和摩擦发热低, 在与牙轮钻头的高速化进程中具有独特的优势。基于这种认识, 对现用牙轮钻头的圆柱滚子轴承进行了理论研究。从结构设计的角度探讨了采用满装型圆柱滚子轴承结构的可行性; 应用经典弹性理论, 计算了满装型结构的载荷分布; 以基本额定动载荷Ｃｒ 作为初期优化的目标函数, 选取４ 个设计变量, 分别采用复合形法、内点罚函数法和外点罚函数法对牙轮钻头圆柱滚子轴承进行了优化设计。研究表明, 现用牙轮钻头圆柱滚子轴承的确存在一些有待改进和完善之处; 所编制的结构设计计算、载荷分布和优化设计程序可直接用于对国内各种尺寸滚动轴承钻头的理论研究。     

牙轮钻头圆柱滚子轴承的凸度设计研究

基于对有限长线弹性接触问题数值解的一维简化处理,对比分析了迄今为止国内外采用较多的几种凸型圆柱滚子的接触情况,为牙轮钻头流动轴承圆柱滚子的凸度设计提供理论指导。     

凹端圆柱滚子轴承在牙轮钻头上的应用分析

国内现有牙轮钻头滚动轴承多采用短圆柱滚子轴承结构,滚子边缘处存在应力集中现象,使得轴承接触表面极易发生疲劳破坏,为提高牙轮钻头滚动轴承抗接触疲劳寿命,提出在牙轮钻头滚动轴承中采用凹端圆柱滚子的方案。利用有限元方法,分析普通圆柱滚子和凹端圆柱滚子在径向载荷作用下,滚子外圆柱面上的接触应力分布情况,并对凹端圆柱滚子结构参数(凹端深度及凹口直径)进行优化分析。与普通圆柱滚子相比,凹端圆柱滚子最大接触应力降低22.33%,其优化结构参数为凹端深度4.4 mm,凹口直径5 mm。结果表明,凹端圆柱滚子能有效克服普通圆柱滚子的两端应力集中现象,接触应力沿轴向分布均匀,最大接触应力明显减小,提高了滚动轴承的抗接触疲劳能力并延长其疲劳寿命。     

牙轮钻头轴承用GW50合金渗硼及性能分析

牙轮钻头滑动轴承的主要失效形式是胶合和磨粒磨损。钢结硬质合金GW50的力学性能介于硬质合金和合金钢之间，具有较高的弹性模量、硬度、抗弯抗压强度、冲击韧性和较好的冷热加工性能。试验分析表明，经料浆渗硼处理后，可进一步提高GW50钢结合金的表面硬度和耐磨性能，表面硬度可达1700HV0.2，弹性模量和冲击韧性值增加，摩擦系数更低，具有更好的综合性能，用于牙轮钻头滑动轴承是可行的。今后发展高速、重载和高寿命牙轮钻头的关键在于从轴承结构、材料和工艺寻找突破口。