新型牙轮钻头球面浮动套轴承设计与分析

分析普通牙轮钻头浮动套轴承存在的缺陷,提出一种新型牙轮钻头球面浮动套轴承,并且利用ANSYS软件对其进行非线性接触有限元分析.结果表明,与普通浮动套轴承相比,新型牙轮钻头球面浮动套轴承通过修形设计和开槽等方式使接触应力分布更均匀,更容易形成动力润滑膜;在其表面沉积TiAlN复合涂层能有效提高浮动套的耐磨性.因此,该新型牙轮钻头球面浮动套轴承抗冲击能力、润滑能力和耐磨能力强,具有良好的实用价值.     

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。     

牙轮钻头变曲率圆柱滚子轴承的结构设计与研究

从结构设计和载荷分布等方面对牙轮钻头变曲率滚子轴承进行了初步的理论研究。结果表明，载荷在承载滚子之间的分布更趋均匀，变曲率结构较常规结构的峰值接触应力要低，可以提高滚动轴承的接触疲劳寿命。     

球冠形复合钻头滑动轴承优化设计

球冠形复合钻头滑动轴承结构是一种新型的钻头轴承结构,目前还没有相关文献对其力学行为进行深入的研究。为此,利用Ansys有限元分析软件,建立了球冠形复合钻头滑动轴承的三维模型;其次通过接触有限元求解计算,对比分析了球冠形与圆柱形两种滑动轴承接触压力分布大小与规律;最后以球冠半径为设计变量、峰值接触压力为目标函数,建立了球冠形复合钻头滑动轴承的优化设计模型。优化结果表明:相比优化前峰值接触压力降低了50.6%,von Mises峰值应力降低了17.7%。优化后的接触压力分布更合理,能有效的提高轴承的使用寿命和工作可靠性。     

一种变曲率圆柱滚子轴承结构的理论研究

为了降低大圆柱滚子与牙爪轴颈之间的峰值接触应力进而提高牙轮钻头滚动轴承系统的工作性能 ,可以在大圆柱滚子轴承中实施变曲率结构方案。围绕准变曲率、吻合变曲率、间隙变曲率 3种变曲率结构进行了较为系统的理论研究 ,包括载荷分布理论的建立、载荷分布情况的对比以及合理变曲率结构参数的选取等问题。理论研究表明 ,通过使得载荷在各个滚动体之间的分布更趋于均匀 ,实施变曲率结构方案能够降低滚子与滚道之间的接触应力 ,而且间隙变曲率结构的效果最为显著     

隔膜泵曲轴滑动轴承的替换研究

在已知曲轴结构尺寸和曲轴所受应力应变规律的基础上,设计了支承曲轴滑动轴承的轴瓦尺寸和间隙等尺寸,利用有限元分析软件Hyper Mesh、Workbench对曲轴和滑动轴承进行接触应力分析,最终证明了曲轴轴承用滑动轴承代替滚动轴承的可行性。     

表面织构形状对牙轮钻头轴承摩擦学性能影响的实验研究

牙轮钻头滑动轴承作为钻头破岩过程中传递载荷的关键部件,在低速重载的钻井过程中易发生黏着磨损失效。为改善牙轮钻头滑动轴承的耐磨性能,利用纳秒激光雕刻技术,在牙轮钻头滑动轴承轴颈表面加工了面积比为10%、深度为20μm的圆形、矩形、三角形及复合织构;基于赫兹相似理论,设计近似模拟钻头轴承工况的环-块配对副单元实验方案,并在UMT摩擦试验机上开展织构形状对钻头滑动轴承摩擦副摩擦因数、磨损量、温升变化和微观形貌影响规律的实验研究。结果表明:仿生织构的形状及布置方式对减摩和耐磨效果影响极大,其中圆形、矩形织构的减摩和耐磨性能最优,其次为三角形织构,而复合织构反而增大了摩擦因数及磨损量;单一织构对试件磨损量及温升的影响不大,而复合织构在增加摩擦的同时温度有明显升高,不利于井下高温环境下延长牙轮钻头寿命。     

矿用牙轮钻头的径向游隙对轴承寿命的影响

建立了适合于牙轮钻头轴承寿命计算的数学模型 ,从理论上阐述了非标准轴承设计径向游隙控制对轴承寿命影响的重要性 ,轴承的径向游隙越大 ,寿命越短。钻头设计要优化轴承结构参数和径向游隙 ,以提高国产牙轮钻头的寿命     

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。     

井底压力下牙轮钻头浮动套轴承性能分析

为了探究井底压力下215.9 mm牙轮钻头浮动套轴承的平衡转速比、摩擦学性能、油膜压力分布随内外间隙比的变化规律,修正了考虑浮动套轴承实际井下环境压力和牙轮钻头密封压差的Reynolds边界条件,利用MATLAB中的PDE Toolbox对浮动套轴承Reynolds方程进行数值求解,分析内外间隙比对浮动套轴承平衡转速比、油膜压力及摩擦因数的影响规律,结果表明：当环境压力为60 MPa、密封压差为20 MPa时,随内外间隙比增加,浮动套平衡转速比呈现先增大后减小的趋势;以轴承的摩擦因数和油膜压力作为综合评价指标,钻头浮动套轴承内外间隙比为2.0时,轴承的摩擦因数较小,油膜压力较高,其轴承综合性能较优;而当浮动套轴承内外间隙比为2.0时,随着环境压力的升高,浮动套轴承的摩擦扭矩和摩擦因数增加,从而加剧轴承的磨损。该研究为牙轮钻头浮动套轴承的结构参数优化及性能提升提供了基础理论支撑。     

牙轮钻头空心圆柱滚子轴承热力耦合分析

根据轴承接触力学和传热学理论,建立了牙轮钻头空心圆柱滚子轴承的热力耦合计算模型,分析了其温度、应力与变形分布,并研究了空心度、钻压、摩擦因数、转速、润滑脂温度和井温参数对轴承热力耦合场的影响。结果表明:牙轮钻头空心圆柱滚子轴承系统的最高温度出现在止推轴承上,最大等效应力发生在牙爪轴颈上,最大位移发生在牙轮上,最大接触应力发生在空心滚子接触副上;随着空心度的增大,空心滚子的最高温度、最大接触应力和最大变形均逐渐减小,而最大等效应力呈现出先减小后增大的趋势,空心度为55%的空心滚子等效应力最小;轴承各部件的温度、应力与变形均随钻压、摩擦因素、转速、润滑脂温度和井温的增加而增大。研究结果可为牙轮钻头轴承的设计和优化提供参考,对牙轮钻头在高温深井中的使用具有借鉴作用。     

基于ABAQUS的硬质合金齿强度分析

随着国内勘探力度不断加大,钻井深度不断提高,牙轮钻头在深部地层钻进中发挥着重要作用。在高钻压、高转速下,小尺寸三牙轮钻头硬质合金齿受的动载大,且齿的尺寸相对较小,常常发生硬质合金齿的松动、断裂、脱落。因此,对小尺寸牙轮钻头的硬质合金齿结构进行强度分析研究,具有十分重要的意义。以小尺寸三牙轮钻头硬质合金齿为研究对象,建立了3种牙齿模型;通过ABAQUS软件对硬质合金齿进行静强度分析,获得了牙齿结构Mises应力分布情况;通过Fe-Safe软件对硬质合金齿作疲劳强度分析,获得了疲劳寿命和安全系数;对强度较差的1号楔形齿进行结构优化,强度提升明显;对指导小尺寸牙轮钻头牙齿结构设计具有一定意义。     

牙轮钻头滚动轴承的失效分析及延寿措施

本分析了牙轮钻头滚动轴承的失效形式，从改进系统结构设计，采用新型结构、新型材料和表面强化拱么及提高轴承系统的加工质量等方面阐述了提高该类型轴承寿命的措施。     

基于Romax的某地铁圆锥滚子轴承应力分析

针对某地铁轴承的运行工况,基于Romax对地铁滚动轴承进行了应力分析。创建轴承三维模型,通过施加与实际受力等效的载荷,分析轴承滚子与套圈的接触应力情况:接触应力值范围,有无应力集中现象,接触区域是否良好。通过试验验证了其分析的可靠性。     

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。     

多油楔浮动滑动轴承磨损实验研究

实验研究了三种不同结构的多油楔浮动滑动轴承,它们可用于不同载荷下的旋转机械,兼有普通径向滑动轴承和多油楔滑动轴承的优点.实验研究表明,这种轴承既可以提高运行过程中轴承的稳定性,又能够减少轴承的磨损,提高轴承的寿命.磨损试验研究发现,轴承间隙是影响轴承磨损量的重要因素之一.当外间隙一定,内间隙值在规定范围内时,多油楔浮动滑动轴承磨损量最小;内间隙值过大或过小,均会加剧轴承的磨损.实验研究工作为进一步设计研究此类轴承提供了一定的实验依据.     

轴向游隙对圆锥滚子轴承应力分布的影响

针对轴向游隙对圆锥滚子轴承接触应力及其应力区域的变化情况的影响,基于ABAQUS建立了圆锥滚子轴承的有限元模型,计算了圆锥滚子轴承在径向载荷作用下最大受力滚子滚道母线上的应力分布值,并与基于Hertz理论的切片法做出对比,两者的计算结果具有较好的一致性.在整体分析的基础之上,调整圆锥滚子轴承的正负轴向游隙,分析了在轴向游隙变化的情况下圆锥滚子轴承最大应力和接触区域的变化,结果显示圆锥滚子轴承的最大接触应力会在较小的负游隙的情况下出现最小值,从而为下一步研究圆锥滚子轴承的疲劳寿命和结构优化提供依据.     

牙轮钻机钻井时钻头纵向振动特性影响牙轮轴端磨损机理分析

牙轮钻头轴端的磨损是多方面因素造成的,主要从牙轮钻机钻井时钻头纵向振动特性对牙轮轴端的影响进行牙轮轴端磨损机理分析,首先建立三牙轮钻头纵向动力学模型,并在此基础上对三牙轮钻头进行振动特性分析,探究牙轮纵向振动对牙轮轴端磨损的影响,建立牙轮微动磨损数值计算模型,得出牙轮轴端的磨损体积主要受牙轮轴和轴承的接触面的法向压力和牙轮轴和轴承之间的切向相对滑移距离影响。最后对三牙轮钻头的磨损机理进行分析,对牙轮钻头寿命的提高的研究有积极的推动作用。     

考虑温度影响的角接触球轴承疲劳寿命仿真研究

针对承受热应力和结构应力共同作用下的角接触球轴承,利用ANSYS Workbench软件对其进行疲劳寿命分析。在三维软件Pro/E中建立轴承模型,导入有限元软件ANSYS Workbench中得到轴承的有限元模型,进行热-应力耦合分析,得到轴承温度分布和应力分布;根据零件的材料属性,利用ANSYS Workbench的Fatigue模块分析了轴承的疲劳寿命。根据软件模拟计算得到轴承寿命情况,为机床主轴轴承寿命的预测奠定基础。     

重卡轮毂轴承接触应力分析及寿命预估

以圆锥滚子轴承为研究对象,利用ABAQUS建立其有限元模型,在径向、轴向载荷及预紧力的作用下,分析内外圈滚道的接触应力变化情况。结果表明:内外圈滚道的最大接触应力都发生在距离滚子大端约3 mm处,内滚道的最大接触应力大于外滚道的最大接触应力。利用Romax软件建立轮毂系统的刚性模型,根据不同工况的使用率和转速,设置相应的加载时间及功率载荷,研究轮毂轴承寿命及损伤率随温度的变化规律。通过对轮毂轴承接触应力分析及寿命预估,得出内圈与滚动体的接触处是轴承最容易损坏的部位,33213和33118轴承在100℃以下的环境中能够安全工作。