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。

牙轮钻头轴承用GW50合金渗硼及性能分析

牙轮钻头滑动轴承的主要失效形式是胶合和磨粒磨损。钢结硬质合金GW50的力学性能介于硬质合金和合金钢之间，具有较高的弹性模量、硬度、抗弯抗压强度、冲击韧性和较好的冷热加工性能。试验分析表明，经料浆渗硼处理后，可进一步提高GW50钢结合金的表面硬度和耐磨性能，表面硬度可达1700HV0.2，弹性模量和冲击韧性值增加，摩擦系数更低，具有更好的综合性能，用于牙轮钻头滑动轴承是可行的。今后发展高速、重载和高寿命牙轮钻头的关键在于从轴承结构、材料和工艺寻找突破口。

一种滑动轴承试验台的研制与牙轮钻头镶嵌滑动轴承摩擦磨损性能的台架试验

在石油钻井中，滑动轴承牙轮钻头的应用日益增多，但轴承的工作环境却相当恶劣。为了提高钻头滑动轴承的工作寿命，并为这类轴承的设计提供科学依据，针对其实际应用工况，特殊设计制造了一种ＩＰＧ－２型滑动轴承试验台，并且利用其在３０ｋＮ、４０ｋＮ和５０ｋＮ的３种载荷条件下，对牙轮钻头镶嵌铜合金的滑动轴承进行了台架试验研究，着重考察了铜合金镶嵌区尺寸之大小对轴承摩擦磨损性能的影响。结果表明，在相邻两个镶嵌区之间的基体区表面宽度与铜合金的镶嵌区宽度之比值分别为１、２、３和４的几种镶嵌滑动轴承中，它们的摩擦学性能依次变差，即以第一种镶嵌轴承的摩擦磨损性能最好，这是由于镶嵌材料铜合金的抗剪切强度比钢基体的低，在摩擦力的作用下容易向非镶嵌区基体表面及与之对摩部件表面发生材料转移并形成转移膜的缘故。这种研究结果可以直接应用于钻头滑动轴承的设计。

牙轮钻头滑动轴承仿生鲨鱼皮织构化表面润滑性能

牙轮钻头在超深井和大水平井的使用受到广泛关注,由于地层环境复杂化,为了使牙轮钻头有更高的稳定工作性。通过对合金材料表面织构化处理减摩效果的研究,结合鲨鱼皮减阻润滑的优势,针对牙轮钻头薄弱环节滑动轴承摩擦结合面进行了仿生鲨鱼皮织构化处理,基于所选取仿生织构的形貌参数构建滑动轴承流动润滑理论模型,采用有限差分法求解,获取润滑油的油压分布、承载能力及滑动轴承摩擦力,并探究阶跃冲击载荷下滑动轴承动压油膜的响应情况。结果表明:牙轮钻头滑动轴承流体润滑状态下,深径比大于0.3且面积率大于0.25的仿生表面织构对油膜承载力有增强效果;仿生表面织构在较低油膜压力下对油膜摩擦力影响突出,油膜摩擦力提高了14.12%;偏心率越大仿生表面织构对油膜承载力的提升效果越好,在偏心率为0.8时承载力提高效果达到200.45%;同时仿生织构的对滑动轴承流体润滑的轴向稳定性有提升效果。牙轮钻头滑动轴承仿生织构化处理有效地改善了滑动轴承润滑性能。可见,合适的织构尺寸能进一步提高滑动轴承处于流体润滑的适用工况范围,提高牙轮钻头的使用寿命。

新型牙轮钻头轴承试验机设计(上)

研制的新型牙轮钻头轴承试验机由工作主机、可调式冲击泵、集成液压系统、注脂补偿系统、钻井液循环系统和电控电测系统等组成。试验机采用内摩擦副 (相当于钻头牙爪轴 )不动而外摩擦副 (相当于牙轮 )相对转动的运动方式 ;可试验相当于 2 15 90～ 311 15mm (8 ～12 英寸 )牙轮钻头轴承试件 ;采用液压加载 ,轴向和径向载荷、静载和动载可分别单独或同时施加 ;试验时可进行试验轴承温度、转速、摩擦力矩、钻井液压力和润滑脂压力等参数的动态测试。

钻井液污染润滑脂对牙轮钻头轴承摩擦学性能的影响

高温或冲击载荷会引起钻井液泄漏进入复合锂基润滑脂,从而影响牙轮钻头滑动轴承润滑及摩擦磨损性能。采用MCR102旋转流变仪对含有不同质量分数钻井液的复合锂基润滑脂进行流变性测试,并采用MDW-1型摩擦磨损试验机开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下轴承单元摩擦学实验,研究钻井液质量分数对轴承摩擦磨损性能的影响。结果表明:钻井液的污染将降低润滑脂的黏度,改变润滑脂的流变性能;钻井液的污染总体上增大了滑动轴承单元摩擦因数及摩擦因数波动幅度,同时加大轴承的磨损,且在高转速下,润滑脂中较低含量的钻井液就会使滑动轴承单元的摩擦磨损达到最大值;钻井液中的超细碳酸钙和重晶石颗粒引起的磨粒磨损和犁沟效应,可能导致滑动轴承快速失效。

牙轮钻头浮动卡销锁紧结构的研制

针对目前应用的牙轮锁紧结构存在的问题 ,研制出了牙轮钻头浮动卡销锁紧结构。该结构能有效地减少轴承径向磨损、控制牙轮的轴向窜动量、保护轴承密封、减少锁紧结构上的载荷并能适应一定的高转速 。

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。

织构化钻头滑动轴承单元摩擦学性能研究

为了研究织构对牙轮钻头滑动轴承的润滑减磨机理及织构面积比、织构直径和织构深度对轴承摩擦学性能的影响规律,采用MMW-1型微机控制立式万能摩擦磨损试验机和销-盘摩擦副,开展了模拟工况下织构化牙轮钻头滑动轴承单元摩擦学试验。研究结果表明:合理参数织构能有效提高牙轮钻头滑动轴承的润滑及摩擦学性能;对于较小直径(200μm)织构,当织构面积比为10%或15%时织构的润滑性能更好,而对于较大直径(300～600μm)织构,当织构面积比为5%时织构的润滑性能更优,因此小直径织构面积比偏大较好,可确保润滑介质分布更均匀,而大直径织构则织构面积比偏小更好;相同条件下,织构化牙轮钻头滑动轴承表面织构深度为40μm时织构的润滑性能最好,织构深度较深或较浅均不利于提高织构的润滑减磨性能。研究结果可为合理选择牙轮钻头滑动轴承织构参数、促进表面织构技术在牙轮钻头滑动轴承上的应用打下试验基础。

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。