牙轮钻头轴承单元试件的摩擦磨损性能

由于牙轮钻头轴承的结构尺寸小、工作载荷大、温度高、润滑条件差等,导致其失效主要为摩擦磨损。为了提高轴承的润滑性能和使用寿命,模拟牙轮钻头轴承单元工况,建立其流体润滑的数学模型;分别以牙轮钻头轴承单元材料20CrNiMo和铍青铜为销和盘,在MMW-1型万能摩擦磨损试验机上研究不同工况下试件的摩擦因数、磨损量及温度变化。结果表明:在牙轮钻头轴承模拟工况下,当转速一定时,试件的摩擦因数随载荷的增大而增大,当载荷一定时,摩擦因数随着转速升高而逐渐降低;试件及润滑脂的温度随载荷和转速的升高而升高,当载荷为120～200 N、转速为60～192 r/min时,试件的温度保持在40℃左右较低的温度,即润滑性能较好。磨损表面形貌分析表明,牙轮钻头轴承的失效形式为黏着磨损。

牙轮钻头轴承表面织构三种加工方法对比分析

目的研究牙轮钻头轴承上润滑减磨的有效织构加工方法,从而进一步深入牙轮钻头轴承上仿生表面织构的研究。方法开展精密雕刻、纳秒激光和飞秒激光三种加工方式在牙轮钻头轴承上加工织构的实验,观察加工织构底部形貌,从织构加工尺寸、加工精度、加工对象三个方面对比分析三种织构加工方式的优缺点。结果精密雕刻技术可获得较规则的织构三维形貌,但不适用加工熔点高的材料,且仅适用于直径大于400?m的织构。纳秒激光由于金属熔融堆积效应,织构加工质量较差。飞秒激光技术的加工质量高且不受材料限制,能获得较好的织构轮廓,合理织构直径应小于300μm。结论为织构化牙轮钻头滑动轴承的加工方法提供依据。综合织构加工尺寸范围、加工对象和加工精度,飞秒激光加工技术在牙轮钻头轴承上具有良好的应用前景,精密雕刻技术仅在织构尺寸较大时可采用。

18CrNiMo7-6钢牙轮钻头轴承渗碳工艺的优化

为了确定18CrNiMo7-6钢牙轮钻头轴承的最优渗碳面和最优扩散系数,通过建立数值计算模型、扩散系数模型和物理模型,对两种可选择的渗碳面以及不同扩散系数的渗碳结果分别进行对比研究,并对最优结果进行验证。结果表明:牙轮钻头轴承最优的渗碳面是外表面,最优的扩散系数为1.5×10^(-6)m^2/s,满足了牙轮钻头轴承表面耐磨、芯部具有韧性的要求,为制定合格的渗碳工艺提供理论支撑。

三牙轮钻头轴承环道位置检具的设计

1．概述 三牙轮石油钻头由三牙轮和三牙爪等零件组成，装配后在牙轮与牙爪构成的球状环槽（道）中注入一定数量钢球，形成球形轴承环道。装配时必须保证牙轮、牙爪两零件环槽（道）中心的一致（重合）性。因此，如何控制如图1所示的牙轮、牙爪环槽（道）中心至基面尺寸（尺寸A随产品型号而异）的精度要求，一度成为牙轮、牙爪加工中的测量难题。如果增大牙轮、

三牙轮钻头轴承和密封系统失效原因

主要论述了三牙轮钻头在井下工作时，由于受高钻压、高转速和反复的冲击载荷、剪力、扭矩等影响，轴承和密封结构产生磨损、疲劳剥落、锁紧槽改道的各种失效原因。

应用小波理论实现钻进过程中的三牙轮钻头轴承故障诊断

在钻井过程中,由于岩石的不均质性、井下工况的不可预测性,采集到的信号通常被背景噪声所淹没。文章针对钻井过程中钻头与岩石啮合产生钻柱轴向调幅振动信号中强烈的背景噪声,采用小波包多层分解、域值滤波、通过能量系数值选取最优小波系数向量,并重构信号。对重构信号做FFT分析,有效的提取出了被噪声淹没的调幅信号特征,检测出了中心频率及其边频率带,将其作为钻头正常工作的图谱。采集并重构牙轮旷动的轴向振动信号,FFT及对比分析结果明显区别于正常工作钻头图谱,从而检测出了三牙轮钻头轴承故障。文章提出了新的钻柱轴向振动监测方法,可以及时发现钻头事故的前兆,实现安全、高效钻井。

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。

牙轮钻头滚动轴承滚子接触问题的数值模拟

研究有限长线弹性体的接触问题是进行牙轮钻头滚动轴承滚子凸度设计的前提 ,现文扼要介绍了有限长线弹性体接触问题经典数值解法的理论基础、基本方程以及相应的数值方法 ,并结合研究体会阐述了程序实现过程中的要点 。

牙轮钻头滑动轴承磨损的计算机仿真

在美国Ｍａｒｓｈｅｋ和Ｃｈｅｎ提出的理论基础上，详细分析了牙轮钻头滑动轴承在不对中情况下与牙轮接触的情形，并采用新的确定两体接触区域的方法，在考虑而体之间摩擦的情况下推导了轴承间隙的一般表达式。通过计算机上运行所编制的仿真模型可以得到任意时刻轴承系统的工作状态、轴承副各部位的接触应力和线性磨损量。用该仿真模型可预测轴承系统寿命和改进轴承结构参数，从而可提高轴承系统的使用寿命。

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。

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。

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。

高速牙轮钻头浮动套轴承研制的探讨

牙轮钻头浮动套轴承的研制关键在于通过浮动套内、外间隙的合理分配设计浮动套结构参数以及浮动套材质的优选。本文全面地介绍了国内外牙轮钻头浮动套轴承的设计思想及浮动套材质研究应用动态，阐述了关于浮动套轴承研制的看法，提出了研制的方向。

钻头滑动轴承表面织构的激光加工工艺研究

基于仿生表面织构改善摩擦学性能的显著效果,如何将优选润滑减磨性能较好的凹槽型织构合理地布置于牙轮钻头滑动轴承轴颈表面是目前亟待解决的难题之一。本文通过纳秒激光微加工和非接触式三维光学表征方法,开展纳秒激光功率、扫描次数和扫描速度对钻头滑动轴承轴颈表面烧蚀凹槽织构几何尺寸和加工精度影响规律的实验研究,结果表明,纳秒激光烧蚀工况下,凹槽织构深度随激光扫描次数增加逐渐增加,而凹槽宽度基本保持不变;凹槽织构宽度随扫描速度的增加逐渐减小。宽度为478μm,深度为30μm凹槽织构初步优选的激光烧蚀参数为:功率35 W,扫面次数3次,扫描速度100 mm/s。该研究为优选凹槽织构布置于牙轮钻头轴承摩擦副表面提供了纳秒激光加工工艺与表征方法,其将推动仿生表面织构纳秒激光微加工技术在钻头滑动轴承减磨抗摩领域的工业化应用。

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。

牙轮钻头滑动轴承润滑状态分析

本文通过对牙轮钻头滑动轴承磨损原因的探讨，分析了轴承润滑状况，指出改善润清条件的基本途径，为以后润滑脂的研究指明了方向。

椭圆凹坑布置对钻头滑动轴承减磨性能的影响

利用纳秒激光打标机在钻头滑动轴承销-盘单元试样表面加工椭圆凹坑织构,其长轴为600μm,深度20μm保持不变,短轴200~500μm范围。采用MDW-1型立式万能摩擦磨损试验机的销-盘摩擦副开展试验载荷为435 N、速度为0.29 m/s模拟工况下的牙轮钻头滑动轴承单元摩擦学试验,研究椭圆凹坑织构分别加工于滑动轴承轴径和轴套表面时对钻头滑动轴承摩擦学性能的影响。结果表明:椭圆凹坑同时交错分布于销、盘试样表面的润滑减磨效果最优,椭圆凹坑同时平行分布于销、盘试样表面的润滑减磨效果最差。

三牙轮钻头牙爪应力分析

用有限元法对某型三牙轮钻头的２号牙轮－牙爪进行了静力计算，求得不同轴承间隙时牙爪轴颈及止推面上的接触应力分布规律。大轴颈上接触面法向应为沿轴线分布不均匀，靠近根部应力最大，沿轴颈轴线方向逐渐减小，但在卡簧槽边处又升高；小轴颈上应力比大轴颈小。在钻压加扭矩共同作用下，牙爪轴颈和止推面上的压应力分布不对称，接触区域发生偏移，止推面上接触区偏移较多。轴承间隙对轴颈应力的影响大于对止推面应力的影响。

立井钻井机上应用的钢丝滚道轴承

钢丝滚道轴承于1980年首次使用在立井钻井机的行星大钻机上,成功地钻凿沈北大桥立井,钻进冲积层和基岩层。钢丝滚道轴承的承载能力大,达数百吨;轴承直径大,达φ3m;使用环境由地面发展到井下泥浆中,使用寿命比标准轴承高10倍,而造价为标准轴承的几分之一。一、结构特点钢丝滚道轴承的滚动体多为滚珠,上下座圈内各镶入两根或多根φ6mm合金钢丝,