牙輪鉆頭空心滾滑復(fù)合軸承的設(shè)計(jì)

韓傳軍 張 杰 蔣光強(qiáng) 林發(fā)權(quán)

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.中國(guó)石油塔里木油田公司工程技術(shù)部

軸承是牙輪鉆頭的重要組成部分，它的失效直接影響著整個(gè)鉆頭的使用壽命，進(jìn)而影響整個(gè)鉆井周期。牙輪鉆頭中最早使用的是滑動(dòng)軸承，1932年出現(xiàn)了滾動(dòng)軸承，并一直沿用至今。與普通滑動(dòng)軸承相比，牙輪鉆頭的滑動(dòng)軸承有其特殊性，包括結(jié)構(gòu)特殊性、載荷特殊性、工作環(huán)境的特殊性以及相對(duì)轉(zhuǎn)速的特殊性[1]，這就決定了它的研究工作更為復(fù)雜和困難。牙輪鉆頭的滾動(dòng)軸承是一種非標(biāo)準(zhǔn)軸承，多采用大圓柱滾子軸承—鋼球—小徑向滑動(dòng)軸承或者大圓柱滾子軸承—鋼球—小圓柱滾子軸承，它無內(nèi)外套圈、無保持架、承載力大、耐沖擊，但是轉(zhuǎn)速較低，而且有限的潤(rùn)滑脂和強(qiáng)磨粒環(huán)境[2]，使得它的失效較為嚴(yán)重，工作壽命較低。因此，對(duì)牙輪鉆頭用軸承的失效機(jī)理分析以及新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一直是石油工程技術(shù)人員的研究重點(diǎn)。

1 牙輪鉆頭軸承的研究現(xiàn)狀

目前，牙輪鉆頭軸承研究集中在軸承失效形式及原因分析、軸承材料的研制、軸承承載強(qiáng)度與可靠性分析、軸承密封系統(tǒng)的優(yōu)化、軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面。

王國(guó)榮等對(duì)影響牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的失效因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為滑動(dòng)軸承的主要失效形式是粘著磨損，溫升是影響其失效的主要因素[3]；伍開松利用有限元軟件對(duì)滑動(dòng)軸承系統(tǒng)的理想模型進(jìn)行了接觸強(qiáng)度分析，分析了幾何誤差對(duì)滑動(dòng)軸承接觸應(yīng)力分布的影響，認(rèn)為把軸頸的圓柱形改為鼓形，可以改善軸承接觸壓力分布[4]；吳澤兵計(jì)算了滑動(dòng)軸承的接觸力和磨損量，并編制了仿真軟件WEAR[5]：黃志強(qiáng)等對(duì)三牙輪鉆頭的滑動(dòng)軸承進(jìn)行宏觀和微觀分析，認(rèn)為密封系統(tǒng)失效、載荷大而不均、溫升、軸承與牙輪之間配合間隙過大是造成牙輪鉆頭軸承快速失效的主要原因[6]；況雨春等分析了單牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承中止推面的接觸應(yīng)力，并提出優(yōu)化措施[7]；陳家慶等對(duì)牙輪鉆頭變曲率滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了接觸形狀優(yōu)化與磨合的實(shí)施方案[8]，并應(yīng)用邊界元法計(jì)算了大滑動(dòng)軸承的接觸參數(shù)，討論了外載荷、配合間隙、材料配對(duì)組合等因素對(duì)滑動(dòng)軸承接觸力的影響[9]；張茂等對(duì)滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，并申請(qǐng)了專利[10]。

1999年，張茂提出了將牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承的滾子改為內(nèi)孔母線為直線、或直線圓弧組成，或雙曲線的空心滾子[11]。張向東等對(duì)牙輪鉆頭空心圓柱滾子接觸狀況的進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，認(rèn)為合理空心度的滾子可以降低軸承的等效應(yīng)力[12]；王文廣等提出在牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承中采用凹端圓柱滾子的方案[13]；陳家慶等對(duì)國(guó)內(nèi)外采用較多的幾種凸型圓柱滾子的接觸情況進(jìn)行了分析[14]，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型材料和表面處理方面提出了降低失效的措施[2]。

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開始將浮動(dòng)套軸承引入到牙輪鉆頭，主要是浮動(dòng)套軸承具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦功耗低、較滑動(dòng)軸承壽命長(zhǎng)、適宜在高速和較大載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。王國(guó)榮等對(duì)牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承的工作機(jī)理進(jìn)行了研究[15]，提出了一種帶孔浮動(dòng)套軸承[16]；楊斌對(duì)浮動(dòng)套軸承的接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出了全凸型、修正線型和對(duì)數(shù)型母線修形曲線[17]。由于各種軸承都存在局限性，使得牙輪鉆頭軸承逐漸向復(fù)合化方向發(fā)展，田紅平等提出了一種滾滑復(fù)合軸承，結(jié)構(gòu)如圖1－a所示，并通過有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證了其可靠性，其在保持高速的前提下依然有較高的承載能力和使用壽命[18]。

圖1 3種滾滑軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 空心滾滑軸承的設(shè)計(jì)

在本文參考文獻(xiàn)[18]的基礎(chǔ)上，依據(jù)滑動(dòng)軸承、空心滾子軸承與浮動(dòng)套軸承的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種空心滾滑復(fù)合軸承如圖1－b（軸向橫截面圖）所示，圖1－c為筆者提出的一種有孔浮動(dòng)套滾滑復(fù)合軸承。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牙輪鉆頭的滑動(dòng)軸承主要由牙輪內(nèi)孔和牙爪軸頸組成；滾動(dòng)軸承主要由牙輪內(nèi)孔、滾動(dòng)體和牙爪軸頸組成，用牙輪和牙爪代替了普通滾動(dòng)軸承中內(nèi)外圈；空心圓柱滾子軸承是將圓柱滾子做成內(nèi)孔母線為直線或者曲線的空心結(jié)構(gòu)；浮動(dòng)套軸承是在滑動(dòng)軸承中加入一層或多層浮動(dòng)套。

新設(shè)計(jì)的空心滾滑復(fù)合軸承主要由牙輪、牙爪、空心滾子和空心滑塊組成，如圖2所示；帶孔浮動(dòng)套滾滑軸承除了前面提到的部件外，還有一個(gè)帶油孔的浮動(dòng)套。結(jié)構(gòu)中的滑塊為扇形結(jié)構(gòu)，內(nèi)外面的曲率半徑與軸頸和牙輪內(nèi)孔相同，滑塊與滾子直接接觸?？招幕瑝K的長(zhǎng)度與空心滾子的長(zhǎng)度相同，取滾子的空心度為60%，滑塊也按相應(yīng)的比例進(jìn)行選取，滑塊與滾子的數(shù)量相同?；瑝K與牙爪軸頸和牙輪內(nèi)孔形成低副滑動(dòng)接觸，可以承受較大載荷，空心滾子與牙爪和牙輪形成滾動(dòng)接觸，降低整個(gè)軸承的磨損。有孔浮動(dòng)套滾滑軸承將牙爪軸頸與滾動(dòng)體分開，降低接觸面的磨損，提高軸承的轉(zhuǎn)速，同時(shí)在浮動(dòng)套上開有油孔，使?jié)櫥湍茉诨變?nèi)外進(jìn)行流通，增加了潤(rùn)滑效果和散熱性能。田紅平等[18]等開發(fā)了10只實(shí)心復(fù)合軸承牙輪鉆頭，在中國(guó)石油華北油田和克拉瑪依油田試驗(yàn)取得了較好的效果。一只215.9mm的ZAT127鉆頭由華北油田鉆井四公司40511井隊(duì)試驗(yàn)，在鉆壓80～180kN，轉(zhuǎn)速220r／min條件下，在晉93－17x井和澤10－31x井2次下井，純鉆34h后，鉆頭軸承完好，且軸、孔、滑塊和滾柱的表面光亮，無明顯損傷痕跡。另一只215.9mm的ZA437鉆頭由克拉瑪依油田鉆井三公司32879井隊(duì)在57281井試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)速140r／min，鉆壓150kN條件下，純鉆55h后，軸承完好，且軸、孔、滑塊和滾柱的表面非常光亮，滾柱沒有疲勞點(diǎn)蝕的痕跡，但有明顯與滑塊摩擦的痕跡，直徑與裝配前相差0.005～0.01 mm，滑塊側(cè)面有輕微的弧面凹槽。

圖2 牙輪鉆頭空心滾滑復(fù)合軸承立體剖開圖

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)空心滾滑軸承的結(jié)構(gòu)形式，可以將其概括為5個(gè)特點(diǎn)：

1）承載力更大：雖然整個(gè)牙輪鉆頭軸承的重量減輕了，但并沒有降低其承載能力，后文將通過應(yīng)力分析計(jì)算予以說明。

2）吸振性能好：空心結(jié)構(gòu)滾滑體的剛度較實(shí)心結(jié)構(gòu)有所降低，起到了吸振和緩沖的作用，特別是軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這種作用將極大地改善整個(gè)牙輪鉆頭的動(dòng)態(tài)性能。

3）潤(rùn)滑油貯存更多：空心結(jié)構(gòu)的滾滑體可以貯存更多的潤(rùn)滑油，充分保證了各接觸面之間的良好潤(rùn)滑，降低了添加潤(rùn)滑油的頻率，同時(shí)也避免在牙輪內(nèi)孔壁開設(shè)油槽，提高了整個(gè)軸承的承載強(qiáng)度。

4）散熱面積增加：內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)可以增加滾滑體的散熱面積，同時(shí)也有助于潤(rùn)滑油的自由流動(dòng)，使?jié)櫥统浞职l(fā)揮其冷卻作用，對(duì)高速重載工況下的牙輪鉆頭來說，這將會(huì)極大地降低接觸面由于溫度過高而引起的粘著磨損，降低其失效概率。

5）潤(rùn)滑效果更好：有孔浮動(dòng)套滾滑軸承，充分融合了滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承和浮動(dòng)套軸承的優(yōu)點(diǎn)，除具備上述優(yōu)點(diǎn)外，還可以充分發(fā)揮浮動(dòng)套的特點(diǎn)。在浮動(dòng)套壁上開有油孔，使浮動(dòng)套內(nèi)外的潤(rùn)滑油之間可以互相流動(dòng)，保證浮動(dòng)套內(nèi)外兩側(cè)的潤(rùn)滑效果，也避免因局部潤(rùn)滑不良導(dǎo)致軸承的失效。同時(shí)，流動(dòng)的潤(rùn)滑油可以增加對(duì)流散熱，避免局部溫度過高。

3 模型計(jì)算與分析

由于空心滾滑軸承的接觸問題已經(jīng)不能嚴(yán)格滿足Hertz理論條件，因而不能直接應(yīng)用Hertz公式求解其接觸應(yīng)力。ABAQUS被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件之一，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)問題，特別是在求解非線性問題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，本文用其進(jìn)行建模和解算。

3.1 建立計(jì)算模型

由于滾滑軸承為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在其工作過程中，主要是下半部分承受載荷，因而建立1／4滾滑軸承的有限元模型。在滾滑軸承工作過程中可能是空心滾子處于最下邊，也可能是空心滑塊處于最下邊，因而考慮這兩種極限工況，并建立相應(yīng)的實(shí)心滾滑軸承模型進(jìn)行對(duì)比分析。本模型只考慮靜力作用下的軸承承載。

參照本文參考文獻(xiàn)[18]，取軸頸的直徑為54 mm，滾子和滑塊的厚度均為11.13mm，數(shù)量按8∶8布置，空心滾子內(nèi)孔直徑為6.67mm，滑塊也按相應(yīng)比例選取。由于牙輪鉆頭中牙爪和牙輪材料均為高強(qiáng)度合金鋼，因此，取材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7 800kg／m3。建立軸頸與滾滑體、牙輪內(nèi)孔與滾滑體以及滑塊與滾子之間的接觸關(guān)系，設(shè)定它們之間的摩擦系數(shù)均為0.1。對(duì)模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，對(duì)滾滑體、軸頸和牙輪內(nèi)表面參與接觸部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖3所示，圖3－a、b為滾子在最下端時(shí)的實(shí)心和空心模型，圖3－c、d為滑塊在最下端時(shí)的實(shí)心和空心模型。由于牙輪的下半部接觸井底，對(duì)牙輪外圈完全約束，模型左側(cè)的對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，根據(jù)牙輪鉆頭的工作狀況，在軸頸上端對(duì)稱面施加壓力載荷50MPa（根據(jù)鉆壓確定，其值因鉆井工況的不同會(huì)有變化）。

圖3 有限元分析模型圖

3.2 結(jié)果分析

圖4為當(dāng)滾子和滑塊分別處于最下端時(shí)，實(shí)心結(jié)構(gòu)和空心結(jié)構(gòu)滾滑軸承的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，兩種工況下，將滾滑體結(jié)構(gòu)由實(shí)心改為空心以后，最大等效應(yīng)力均有所降低；實(shí)心結(jié)構(gòu)中的高應(yīng)力區(qū)域較為集中，主要在滾子與軸頸和牙輪內(nèi)表面的接觸處，以及滑塊與軸頸接觸的部分；空心結(jié)構(gòu)中滑塊的兩側(cè)承受了較大的應(yīng)力，空心滾子的高應(yīng)力區(qū)域較實(shí)心滾子有了較大的擴(kuò)展但極值降低。

圖4 各種結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖

表1、2分別為兩種工況下實(shí)心結(jié)構(gòu)和空心結(jié)構(gòu)中牙爪軸頸、最下端滾子、最下端滑塊以及牙輪內(nèi)孔的最大等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力值。從表1中比較各部件的應(yīng)力極值，空心結(jié)構(gòu)中的牙輪軸頸和牙輪內(nèi)表面的應(yīng)力值均略有增大；和實(shí)心滾子相比，空心滾子的最大等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力都有了較大幅度的降低；空心滑塊結(jié)構(gòu)與實(shí)心滑塊相比，3種應(yīng)力值均增加，主要是空心滑塊的整體剛度下降，以及內(nèi)孔局部出現(xiàn)應(yīng)力集中。在表2中，空心結(jié)構(gòu)中的軸頸和滾子的3種應(yīng)力最大值均小于實(shí)心結(jié)構(gòu)，但滑塊和牙輪內(nèi)表面的應(yīng)力值有所增大。綜合比較以后發(fā)現(xiàn)，將實(shí)心結(jié)構(gòu)改為空心結(jié)構(gòu)后，其整體承載性能并沒有低，反而更高，空心滾滑體的應(yīng)力分布較為均勻，不會(huì)因?yàn)榫植康膽?yīng)力過大或溫升過高而導(dǎo)致整個(gè)軸承的過早失效。

表1 滾子處于最下端時(shí)各部件應(yīng)力極值表 MPa

表2 滑塊處于最下端時(shí)各部件應(yīng)力極值表 MPa

4 空心度的確定

空心度是整個(gè)軸承設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)，如果空心度過小，則達(dá)不到預(yù)期的目的；如果空心度過大，將會(huì)極大地削弱軸承的承載強(qiáng)度。因而，選擇合理的滾子和滑塊空心度是軸承設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。定義滾子的空心度K為R1／R；由于滑塊為扇形結(jié)構(gòu)，分別定義其徑向空心度Kr為H1／H，周向空心度Kc為S1／S。其中，R1為滾子內(nèi)徑，R為滾子外徑，H1為滑塊內(nèi)孔厚度，H為滑塊厚度，S1為滑塊內(nèi)孔平均弧長(zhǎng)，S為滑塊外緣平均弧長(zhǎng)。

分別取滾子和滑塊的空心度為30%、40%、50%、60%、70%、80%進(jìn)行分析計(jì)算。圖5、6為空心滾子和滑塊取不同的空心度時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力。由圖5、6可知，隨著空心度的增大，滾子的等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力均經(jīng)歷了一個(gè)先減小后增大的過程；空心度為60%時(shí)，滾子的兩種應(yīng)力值均達(dá)到最小，說明此種工況下的滾子承載能力最強(qiáng)，通過分析曲線變化，建議滾子的空心度取值范圍為50%～70%。

圖5 滾子和滑塊在不同空心度下的等效應(yīng)力圖

圖6 滾子和滑塊在不同空心度下的接觸應(yīng)力圖

隨著滑塊徑向空心度的增加，滑塊的最大等效應(yīng)力逐漸下降，但變化幅值很小，滑塊的最大接觸應(yīng)力也變化較小，說明滑塊的徑向空心度對(duì)其應(yīng)力影響較小，但是空心度越大，滑塊的變形就越大，綜合考慮，建議取其徑向空心度為50%～60%?；瑝K的周向空心度對(duì)其應(yīng)力影響較大，周向空心度越大，滑塊的兩種應(yīng)力值均呈增大趨勢(shì)，當(dāng)空心度大于60%時(shí)，其等效應(yīng)力急劇增大，因而，其周向空心度不能超過60%。

5 結(jié)論

綜合了牙輪鉆頭中常用的滑動(dòng)軸承、空心圓柱滾子軸承、浮動(dòng)套軸承的各種優(yōu)勢(shì)，在實(shí)心滾滑軸承的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了空心滾滑復(fù)合軸承和有孔浮動(dòng)套滾滑軸承?？招慕Y(jié)構(gòu)的滾滑復(fù)合軸承較實(shí)心結(jié)構(gòu)承載力更大、吸振性能好、貯存更多的潤(rùn)滑油，有利于接觸面間的潤(rùn)滑及降低摩擦溫升，降低了軸承失效概率，延長(zhǎng)了使用壽命。通過對(duì)實(shí)心結(jié)構(gòu)和空心結(jié)構(gòu)的滾滑軸承進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)空心滾滑軸承具有更高的承載能力，滾動(dòng)體的應(yīng)力分布也較為均勻，有助于提高整個(gè)牙輪鉆頭的使用壽命和鉆井速度，此結(jié)構(gòu)對(duì)工程實(shí)踐有參考作用。下一步還需要對(duì)空心滾滑復(fù)合軸承的摩擦升溫、熱應(yīng)力、失效形式及機(jī)理、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

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