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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

牙轮钻头焊缝失效分析

针对1#、2#、3#三只钻头的焊缝失效特征的分析，归纳出牙轮钻头焊缝的主要失效形式和其失效原因，以避免今后出现类似的失效情况。     

牙轮钻头滑动轴承间隙的设计及加工控制

根据多年从事钻头研究的经验,结合钻头理论研究及试验成果,对钻头滑动轴承设计中的轴承间隙进行分析,以期对钻头的设计及加工提供有益参考。对同一轴承大、小轴的间隙应采用相同的尺寸,且在实际加工中将间隙值控制在0.07～0.13 mm为优,其方法是减小牙轮、牙掌轴承尺寸的公差带并在组装过程中对牙轮牙掌进行选配;牙轮窜动量是轴承设计的重要组成部分,C点面间隙是轴承设计的延伸部分,现在最小C点面间隙的设计公称值一般在0.15～0.25mm,实际加工值控制在0.12～0.30 mm,对牙轮窜动量和C点面间隙的加工控制只有选配方法。     

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。     

牙轮钻头滚动轴承弹流润滑的理论研究

根据钻头脂流变性能的试验结果，研究了牙轮钻头滚动轴承重载脂润滑弹流问题。利用Ｂｉｎｇｈａｍ流体Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程，并考虑轴承接触表面的粗糙度，建立了数学模型。采用多重网格方法进行数值求解，给出了典型工况下轴承滚子与滚道间的润滑膜厚度，确定了轴承的润滑状态，并分析了转速对润滑状态的影响。计算结果表明，钻头轴承处于边界润滑状态；低速不利于钻头轴承润滑，提高钻头转速能增加润滑膜厚度，改善轴承润滑状态。     

新型高速牙轮钻头滑动轴承的试验研究

为了研制出能与动力钻具相匹配的牙轮钻头，作者从钻头轴承的材料选择入手，对硬质合金滑动轴承进行了分析，认为硬质合金的磨损抗力高，可应用于井下工具。在此基础上，进行了全尺寸牙轮钻头硬质合金滑动轴承的室内试验研究，结果表明：使用硬质合金滑动轴承可使牙轮钻头转速提高到２００～４００ｒ／ｍｉｎ。     

牙轮钻头滚动轴承凸度设计探讨

国产牙轮钻头滚动轴承均采用直母线圆柱滚子，由于这种滚子的边缘效应，工作时两端接触压力呈奇异分布，导致接触区产生局部塑性变形，发生早期疲劳剥落。为提高轴承的承载能力，延长钻头的使用寿命，必须对直母线滚子进行修型，即凸度设计。针对牙轮钻头滚动轴承的特点，对钻头轴承圆柱滚子凸度设计和设计理论基础进行了探讨，分析了对数凸型、圆弧凸型、圆弧修正线型和理论修正线型等四种典型凸型对受力最大的大端滚子接触压力分布的影响，认为四种凸型均能在不同程度上消除或减轻直母线滚子的边缘效应，其中对数凸型是钻头轴承滚子的最佳凸型。     

牙轮钻头空心滚滑复合轴承的设计

轴承是牙轮钻头的重要组成部分,它的失效直接影响着整个钻头的使用寿命。为此,分析了牙轮钻头用滑动轴承、滚动轴承及浮动套轴承的研究现状,在综合3种轴承各自优势的基础上,最终设计出了空心滚滑复合轴承和有孔浮动套滚滑轴承：①空心结构的滚滑体较实心结构的滚滑体提供了更多的贮存润滑油空间,使牙轮转动过程中滚滑体的各接触面之间的润滑性能得以改善;②空心结构增大了滚滑体的散热面积,自由流动的润滑油通过对流散热方式冷却轴承各个转动的部件。同时,建立了滚滑轴承的有限元分析模型,进行了实心和空心结构滚滑轴承的等效应力与接触应力分析。结果表明：空心滚滑复合轴承比实心结构的承载能力更强,滚滑体的应力分布也更为均匀,降低了由局部应力过大或温度过高而导致整个轴承失效的概率,有利于提高牙轮钻头的使用寿命。最后,建议空心滚子的空心度在50%~70%,滑块的空心度不宜超过60%。     

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。     

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。     

牙轮钻头的参数化设计

牙轮钻头结构复杂 ,设计困难 ,使用普通的计算机辅助设计方法难以收到理想的效果。为此 ,研究了牙轮钻头参数化设计方法。设计中 ,根据牙轮钻头的结构特点 ,用Pro/E软件建立特征模型 ,然后利用Pro/E的Program模块编程 ,采用数据文件与Pro/E模型交换数据 ,达到从特征模型中根据用户输入的参数而自动地在Pro/E中生成牙轮钻头的三维实体和二维加工图的目的 ,从而使设计人员从大量繁琐的绘图及计算工作中解脱出来。参数化设计软件的应用结果证明 ,该设计方法简单易行 ,提高了设计效率 ,降低了设计成本 ,对设计质量提供了可靠的保证 ,同时对其它机械零件的设计也有借鉴价值