牙轮钻头浮动卡销锁紧结构的研制

针对目前应用的牙轮锁紧结构存在的问题，研制了牙轮钻头浮动卡销锁紧结构，该结构能有效地减少轴承径向磨损、控制牙轮的轴向窜动量、保护轴承密封，减少锁紧结构上的载荷并能适应一定的高转速，使钻头使用寿命得以大幅度提高。     

单牙轮钻头轴承载荷测试与分析

用带传感器的试验用单牙轮钻头，在改变轴倾角、钻压和转速的条件下进行钻头轴承载荷的台架试验，得到动载荷系数、轴向力、径向力、周向力、扭矩和牙轮传动比等数据。对实测和计算数据的分析表明，单牙轮钻头的动载荷系数基本不随钻压、转速和轴倾角变化，并且比三牙轮钻头低；轴向力和径向力随钻压的增加而增加，且受轴倾角的影响；周向力随扭矩的增加而增加；牙轮传动比小于１，基本不受钻压和转速的影响，但与轴倾角有关。有限元分析表明，轴承内部存在三个应力集中区域。     

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文章介绍了一种新型小尺寸钻头，它主要由一个偏置的多锥形牙轮和一个圆柱形滚轮及两个牙掌组成。其工作原理不同于球形单牙轮钻头，但是与三牙轮钻头的工作原理相同，主要依靠钻头牙轮牙齿的冲击和压入来破碎并且由圆柱形滚轮来修整井壁，还有两个靠近井底的喷嘴。与相同钻头尺雨的三牙轮钻头相比，该新型钻头的牙轮尺寸和轴承尺寸要大得多，因此，它可以承受较大的钻压，从而可以提高轴承和牙轮的使用寿命，进而提高机械钻速和钻头     

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。     

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。     

一种牙轮脱落预警新技术的试验研究

文章介绍一种以轴承副的径向磨损量作为轴承工作状态监测参数、以钻头机械钻速和工作扭矩的急剧变化作为预警信号的牙轮脱落预警技术的试验研究成果。新技术利用摩擦自锁原理，将一个预警装置设置在原有牙轮钻头的轴承腔内。当轴承磨损量达到预定的危险界限时，牙轮将被卡死在轴颈上，轴承的磨损过程终止。钻头的机械钻速和工作扭矩急剧变化的信号预示钻头轴承寿命的终结，应该起钻更换钻头。叙述了测试预警装置力学特性、承载能力、预警功能可靠性的准静态模拟试验以及动态模拟试验的试验方法和试验过程，对测试结果进行了综合分析。试验表明，该技术是可行的、可靠的，是一项很有推广应用价值的牙轮钻头新技术。     

改变流态可提高牙轮钻头的工作性能

分析了牙轮钻头水力学对改进钻头机械钻速的关系，提出了喷嘴和轴承区的牙堂轮廓的改进设计，消除了当前牙轮钻头上经常出现的“滞流”和岩屑在轴承密封区处的粘结现象，既提高了钻头的机械钻速，又延长了钻头的使用寿命，降低了每英尺的钻井成本。     

提高牙轮钻头轴承径向密封性能的途径

针对常用密封轴承钻头环形径向密封的现状及失效原因，进一步指出牙轮钻头失效是密封先期失效所致，提出影响钻头密封性能及可靠性的主要因素是密封材料与密封圈两侧介质压力差相关的密封面之间接接触应力，以及密封系统的制造和装配精度，今后研究和有杉流体动压密封是个方向。     

牙轮钻头高速圆锥滚子轴承系统的可靠性试验分析

牙轮钻头的机械可靠性寿命与钻头的切削系统和轴承系统的可靠度密切相关，在井底高速，复杂载荷作用下，滚动轴承的接触疲劳破坏是牙轮钻头失效的重要原因，鉴于当失效概率在１０％－６５％之外的试验寿命不服从二参数Ｗｅｉｂｕｌｌ分布的情况下，首次将三参数Ｗｅｉｂｕｌｌ分布引入牙轮钻头轴承系统的可靠性估计中，根据牙轮钻头高速圆锥滚子轴承系统的室内完全寿命模拟实验，采用极大似然估计方法对其寿命分布参数的可靠度进行估     

一种牙轮脱落预警新技术及其工作理论研究

文章介绍了一种以轴承副的径向磨损量作为轴承工作状态监测参数、以钻头机械钻速和工作扭矩的急剧变化作为预警信号的牙轮脱落预警新技术。新技术利用摩擦自锁原理,将一个预警装置设置在原有牙轮钻头的轴承腔内。当轴承磨损量达到预定的危险界限时,牙轮将被卡死在轴颈上,轴承的磨损过程终止。钻头工作扭矩和机械钻速急剧变化的信号预示钻头轴承寿命的终结,应即时起钻更换钻头。文章阐述了该技术的基本工作原理,建立了钻头轴承副临界磨损量与结构参数之间的解析关系,说明了预警装置的结构设计准则。     

新型高速牙轮钻头圆锥滚子轴承润滑状态分析

用HAAKERV3流变仪对国产J783钻头脂高温流变特性所作的测定表明，这种钻头脂在高温时表现为典型的Bingham流体。根据实测结果建立了J783钻头脂的流变模型。利用Bingham非牛顿流体重载线接触弹性流体动压润滑的有关理论，并考虑钻头轴承表面的粗糙度，分析研究了新型圆锥滚子轴承高速牙轮钻头的润滑状态和典型工况下钻头轴承的脂润滑膜厚度。结果表明，新型高速牙轮钻头的圆锥滚子轴承处于边界润滑状态，钻头脂中的MoS2和Sb2O3起主要润滑作用。由此可见，有必要在所有牙轮钻头的滚动轴承表面采取强化措施，以提高边界润滑条件下钻头轴承摩擦副的抗摩擦磨损性能。     

牙轮钻头滑动衬套轴承结构和材料

牙轮钻头滑动衬套轴承结构和材料陈家庆，蔡镜仑（北京石油大学北京油田新材料研究工程中心）采用滑动村套轴承的牙轮钻头是在用钻头中很重要的一种。滑动村套分为浮动村套和固定衬套两种［１］。由于轴承承载能力的高低、寿命的长短以及性能的稳定与否对轴承表面以及表层...     

单牙轮钻头——钻井技术的新选择

单牙轮钻头以切削方式破岩，形成具有网状切削轨迹的井底模式。在这种独特的切削方式中，牙齿和岩石有足够的接触时间，比冲击方式传递的能量更充分，破岩效率更高；同时单牙轮钻头接触井底的牙齿数多，牙齿受力均匀，有利于切削结构的工作，延长轴承系统的寿命；单牙轮钻头只有一个牙轮，结构简单，轴承空间大，便于进行结构改进，也使钻头尺寸容易小型化；单牙轮钻头牙轮的转速比钻头的转速低，使之能满足井下动力钻具对钻头提出的高转速的要求。介绍了单牙轮钻头工作原理，分析比较了单牙轮钻头，三牙轮钻头和PDC钻头的工作特点，认为单牙轮钻头是深头，小井眼和井下动力钻井技术中一种可选的新型钻头。     

牙轮钻头滚动轴承接触问题理论研究

利用弹性体三维有限长非接触问题的数值计算方法，对牙轮钻头滚动轴承的接触问题进行了理论研究。对某型ＸＭＰ牙轮钻头大端滚子轴承的计算结果表明，直母线滚子与轴颈滚道接触时两端所产生的接触压力奇异分布，其值趋于无穷大，是轴承早期疲劳失效的主要原因。因此，为提高钻头轴承的使用寿命，必须对滚子进行凸度设计。     

粗糙表面下牙轮钻头浮动套轴承润滑机理研究

以流变学、摩擦学及固体力学为理论依据,在φ215.9mm(821英寸)牙轮钻头滑动轴承结构的基础上,综合考虑浮动套滑动轴承的特点及牙轮钻头轴承的特殊性,以牙轮钻头轴承系统结构及失效分析、牙轮钻头润滑脂的高温流变性分析结果为研究基础,建立了粗糙表面牙轮钻头浮动套轴承润滑性能参数的数学模型,并对模型进行了求解。通过计算结果分析得出牙轮钻头浮动套轴承内外间隙比在2.0~3.0之间时,有利于浮动套轴承的正常运转,该结论为牙轮钻头浮动套轴承的设计提供了理论和技术基础。     

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本文以三牙轮钻头的台架试验和油气田现场试验的效果为依据,探讨三牙轮钻头的改进方向。沙及学术上长期争议的国外钻头与国内钻头在轨迹设计上的差异,剖析轴偏移和角偏移的异同处。对轴承密封,牙轮锁紧,喷嘴安装等也有新的意向。     

仿真技术在牙轮钻头浮动套轴承设计中的应用

如何提高现有牙轮钻头轴承的工作性能，延长其在高转速下的使用寿命，是目前钻井工程领域迫切需要解决的问题之一。采用计算机仿真技术分析了牙轮钻头浮动套轴承的摩擦因数、扭矩、温度等性能参数与轴承结构参数的变化关系，找到了同一结构参数时载荷和钻头转速对轴承摩擦学性能的影响规律，认为215．9mm（8 1/2英寸）牙轮钻头浮动套内外间隙比应为2．0～3．0，为给定工况下牙轮钻头浮动套轴承结构的设计与优化提供了理论依据和方法。     

牙轮钻头的发展历史与展望

综观牙轮钻头在各个时期的发展情况可知,牙轮钻头齿和轴承的不断改进,使钻头的使用寿命、单只进尺和钻速不断提高。实践表明,硬质合金镶齿、密封润滑、滑动轴承和高速喷射组合的“四合一”钻头,在目前的牙轮钻头中占主导地位。作者指出:今后牙轮钻头研究工作的重点是提高钻头的钻速。为此,应优化牙轮齿形和布齿方案,挖掘水力系统的潜力,改进轴承结构和提高钻头零件的机械设计技术。     

新型非密封滑动轴承牙轮钻头的试验研究

密封滑动轴承牙轮钻头的密封圈工作条件恶劣,极易损坏;密封圈占据了轴颈的一部分空间,使钻头承载能力减小,这些都降低了钻头的使用寿命。通过滑动轴承失效原因的分析,提出非密封滑动轴承牙轮钻头的轴承表面应采用硬度大、热稳定性好的材料,轴承摩擦副应采用硬-硬配对方式。经过对WC-Co类硬质合金材料力学性能和摩擦学性能分析,用新的轴承结构解决了硬质合金脆性问题,并研制出新型非密封硬质合金滑动轴承牙轮钻头。室内试验表明,硬质合金摩擦副具有良好的抗磨粒磨损能力,可用于牙轮钻头非密封滑动轴承的滑动表面。现场初步试验证明,新型非密封硬质合金滑动轴承牙轮钻头具有良好的应用前景,是发展高速滑动轴承牙轮钻头和小尺寸滑动轴承牙轮钻头的有效途径。     

三牙轮钻头滑动轴承浮动衬套的抗胶合试验

带浮动衬套的滑动轴承已成功应用于三牙轮钻头，因高压喷射钻井工艺的需要，钻头轴承工作条件较为恶劣，导致浮动村套产生胶合卡死牙轮。为此，对用不同材料在不同热处理状态下的浮动村套进行了抗胶合试验。结果表明，Ｈ１３钢的中温气体硫氮共渗是制造钻头轴承浮动村套较为理想的材料和处理工艺，用它代替铍青铜合金固溶时效制造浮动村套是可行的，其磨损量为铍青铜合金村套的１／３，使用中能有效地防止浮动村套胶合卡死牙轮，可延长钻头使用寿命。