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。     

牙轮钻头浮动套轴承的机理研究

由于浮动套轴承的浮动套可以转动,降低了摩擦功率,从而可以提高牙轮钻头的转速.使浮动套转动的主要参数是浮动套的内、外间隙值.根据牙轮钻头轴固定,牙轮转动的工作特点,进行牙轮钻头浮动套轴承单元实验,发现按国内、外现用内小外大的间隙值配置参数,浮动套不会转动.通过对重载低速工况下的牙轮钻头浮动套轴承的润滑状态进行理论分析,得出属于混合润滑或边界润滑状态的结论.并证明全膜润滑状态下的浮动套轴承计算公式,不适用于牙轮钻头浮动套轴承,后者需考虑金属接触及弹性变形的影响,间隙配置应使外间隙远小于内间隙.实验结果与理论分析相一致.本文得出的间隙配置原则,可供牙轮钻头浮动套轴承设计使用.     

牙轮钻头浮动套轴承的数值计算探讨

运用润滑理论，在稳态工作时，对牙轮钻头浮动套轴承进行力平衡、力矩平衡及摩擦功率损失的分析，在此基础上，对其内外间隙值、最优转速比进行数值计算，得出最优转速比，并从理论上证实了牙轮钻头浮动套轴承应采用内大外小间隙配置方式的试验结论。     

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。     

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。     

不对正情况下牙轮钻头浮动套轴承接触应力计算

文章分析了牙轮钻头滑动轴承接触力学性质的影响因素。在Marshek和Chen提出的理论基础上,对接触问题中的系数矩阵和间隙函数进行修正,同时采用新的确定两体接触区域的方法,分析计算了牙轮钻头浮动套轴承在不对正情况下与牙轮(或牙爪)接触的应力,并推导了间隙—接触应力的一般表达式。     

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。     

滑动轴承钻头的轴承结构

普通钻油气井的钻头,为了破碎岩石,牙轮都是装在钻头的轴颈上。在高钻压的作用下,牙轮和轴颈之间的轴承表面承受了极大的载荷。这种钻头是用减摩轴承,它借助滚珠、滚柱将牙轮装配到轴颈上。为了安装滚柱、钻头的设计,要求减小牙轮的壁厚或轴颈,或两者同时减小,因此有时钻头会发生损坏。     

三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力测试分析

采用应力电测法对三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力进行了实际测试 ,测试结果表明 :单齿压入时 ,齿孔变形将受到牙轮纵横向刚度差异的影响 ,在一定过盈量情况下 ,齿孔变形呈椭圆趋势 ;随着过盈量的增加 ,齿孔孔表的周向应力和径向应力将全部变成拉应力 ,这是导致齿孔产生裂纹的重要因素 ;邻孔压齿对测试孔装配应力有明显的影响 ,影响程度与齿孔距有关 ;齿孔计算模型以及牙轮设计和加工过程中 ,必须考虑牙轮纵横向刚度以及邻孔压齿的影响。     

旋转冲击破岩实验装置的设计与应用

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。实践表明,钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数,优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置,利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷,用地质钻机带动钻头破岩。测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响,冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积,冲击过程稳定高效,冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率;提高冲击载荷幅值,能够提高钻头破岩速率。旋冲钻井技术存在最适宜钻压,使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律,有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。     

Ф14.0 mm钻齿与钻头本体齿孔的过盈分析

掉齿是影响空气钻井潜孔钻头寿命的主要原因之一,而钻齿与本体齿孔的安装过盈量直接影响固齿强度。通过建立Ф215.9 mm潜孔钻头Ф14.0 mm钻齿与钻头本体齿孔过盈装配的力学模型,对过盈量为0.040、0.060、0.065、0.070、0.075、0.080和0.100 mm时的装配应力及本体材料的径向位移进行了模拟计算,并对钻齿施加工作载荷,检验了其固齿效果。通过分析可知:过盈量小于0.065 mm时本体材料处于弹性变形状态;过盈量不小于0.080 mm时,本体齿孔的应力值较大,局部接触位置超出材料的抗压强度;过盈量为0.065～0.075 mm时,既有弹性变形又存在轻微的塑性变形,此时的固齿强度能够满足实际工况的需要。考虑到塑性硬化的作用,推荐该钻头下钻齿与本体齿孔的安装过盈量为0.065～0.075 mm。      

钻头及涡轮钻具轴承组件MoS2滑化处理研究

结合三牙轮钻头及涡轮钻具轴承组件的工况和失效分析,讨论了ＭｏＳ２滑化处理的依据和具体工艺,对牙轮钻头、涡轮钻具轴承组件用合金材料在渗碳渗氮等热处理后,实施ＭｏＳ２滑化处理,试验测试表明,此滑化膜可有效地抑制胶合的发生,用于高速重载的钻头及涡轮钻具轴承组件是可行的。     

气体钻井破岩过程动态仿真模拟

应用弹塑性力学、岩石破碎力学建立了气体钻井破岩过程动态模拟的有限元模型，模型中地层岩石力学特性为各向异性材料模式。以岩石临界塑性应变为依据来判断岩石材料是否被切削或剥落，在动态仿真模拟过程中，将这些剥落的单元去掉，形成钻井井眼和新的井底表面。用所建立的模型，动态模拟、分析了PDC钻头钻井时，在各向异性地层和地层倾角的干扰下PDC钻头破岩过程的瞬时冲击接触压力、井底和井壁的应力分布。为气体钻井的推广应用以及高陡构造地层防斜打快提供了理论基础和依据。     

度量牙轮钻头滑动轴承粘着磨损失效的新准则

以现场失效的牙轮钻头滑动轴承解剖分析为依据 ,从理论上分析了其磨损失效过程 ,然后分析了影响牙轮钻头滑动轴承失效的主要因素 :摩擦系数、轴承配合接触表面压力的大小和分布以及相对运动速度等。最后对经典的混合摩擦滑动轴承的失效校核条件进行了改进 ,针对低速重载的牙轮钻头滑动轴承的特殊工况 ,提出了一种度量其失效的新判据。该判据的理论依据是牙轮钻头滑动轴承的局部摩擦能量损失不能超过其材料所规定的能量集度。     

钻头及涡轮钻具轴承组件MoS2滑化处理研究

结合三牙轮钻头及涡轮钻具轴承组件的工况和失效分析,讨论了MoS     

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。