【摘要】：如何提高現(xiàn)有牙輪鉆頭軸承的工作性能，延長(zhǎng)其在高轉(zhuǎn)速下的使用壽命，是目前鉆井工程領(lǐng)域迫切需要解決的問題之一。本文通過(guò)對(duì)牙輪鉆頭軸承主要失效形式和原因的分析，找到了延長(zhǎng)牙輪鉆頭軸承使用壽命的理論依據(jù)。以流變學(xué)、摩擦學(xué)及流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論為基礎(chǔ)，將理論研究與單元實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，開展了牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承工作機(jī)理研究。在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了適用于牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承工況條件的Reynolds方程，并首次將粗糙表面的潤(rùn)滑理論應(yīng)用到牙輪鉆頭軸承的研究中，建立了動(dòng)載荷下牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承熱流體動(dòng)力潤(rùn)滑分析的數(shù)學(xué)模型，完成了牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承工作性能仿真軟件的研制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型和仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。為開展高速牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)工作機(jī)理的研究，改進(jìn)現(xiàn)有牙輪鉆頭軸承的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高我國(guó)牙輪鉆頭的綜合性能提供了新的理論和方法。本文的主要研究成果如下： (1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失效牙輪鉆頭軸承的表面進(jìn)行了金相分析和硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鉆頭在工作過(guò)程中溫度的升高使得軸承表面金相組織發(fā)生改變，導(dǎo)致抗磨性能減弱，使軸承磨損速度加快，找到了牙輪鉆頭軸承在高轉(zhuǎn)速下快速失效的根本原因； (2)在不同溫度和不同剪切速率條件下，完成了牙輪鉆頭專用潤(rùn)滑脂的流變性實(shí)驗(yàn)。并以此為基礎(chǔ)建立了該潤(rùn)滑脂的流變模型，得到了其名義粘度隨溫度和剪切速率的變化規(guī)律，找到了該潤(rùn)滑脂適用的最佳工況，為牙輪鉆頭軸承潤(rùn)滑參數(shù)的計(jì)算提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)； (3)系統(tǒng)分析了穩(wěn)定載荷下浮動(dòng)套軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與其內(nèi)外偏心率、轉(zhuǎn)速比、摩擦系數(shù)和承載能力等參數(shù)之間的變化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在軸承半徑和長(zhǎng)度一定時(shí)，浮動(dòng)套內(nèi)外間隙值是直接影響其工作性能的關(guān)鍵因素，并找到了各參數(shù)之間相互影響的變化規(guī)律，為牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承單元實(shí)驗(yàn)試件的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案的擬訂提供了理論依據(jù)； (4)在一定假設(shè)條件下，推導(dǎo)了適用于牙輪鉆頭軸承潤(rùn)滑工況的Reynolds方程。并將粗糙表面的潤(rùn)滑理論應(yīng)用到牙輪鉆頭軸承的研究中，以基于平均流量模型的粗糙表面部分潤(rùn)滑狀態(tài)Reynolds方程和能量方程為基礎(chǔ)，建立了動(dòng)載荷下粗糙表面牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承熱流體動(dòng)力潤(rùn)滑的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了求解，為開展牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承工作機(jī)理研究奠定了理論基礎(chǔ)； (5)完成了牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承工作性能仿真軟件的研制，并在不同工況條件下，對(duì)8 1／2”牙輪鉆頭不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的浮動(dòng)套軸承工作性能進(jìn)行了仿真研究。得到了在一定間隙配合下，牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承潤(rùn)滑膜壓力、扭矩、溫度及摩擦系數(shù)隨牙輪轉(zhuǎn)速和徑向載荷的變化規(guī)律，為給定工況下牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了 摘要 理論依據(jù)和技術(shù)手段; (6)完成了81/2’，牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承的單元實(shí)驗(yàn)研究。得到了不同工況以及 不同間隙配合下牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承的扭矩、溫度、浮動(dòng)套轉(zhuǎn)速以及磨損量和磨損速 度等數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了所建立數(shù)學(xué)模型和仿真軟件的正確性。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 浮動(dòng)套可以取代原牙輪鉆頭軸承中合金槽的作用，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)和加 工工藝，降低了牙輪鉆頭的制造成本。 總之，本文的研究工作為推廣高速鉆井等現(xiàn)代鉆井技術(shù)提供了技術(shù)支持，將進(jìn)一 步推動(dòng)我國(guó)鉆井新技術(shù)的發(fā)展，降低鉆井成本，增強(qiáng)我國(guó)牙輪鉆頭在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng) 爭(zhēng)力，為國(guó)家創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文的研究工作不僅具有重要的理論意義 和學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有廣泛的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞:牙輪鉆頭，浮動(dòng)套軸承，機(jī)理研究，模型建立，軟件開發(fā)，實(shí)驗(yàn)研究
【學(xué)位授予單位】：西南石油學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2004
【分類號(hào)】：TH133.3
【圖文】：

低淬火鋼的內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時(shí)崩裂或過(guò)早損壞，回火后硬度一般在HRC6)65的范圍之內(nèi)。測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分軸承硬度變化不大，顯微組織為回火馬氏體，如圖2.5a所示，顯微硬度依然在HV700，800(相當(dāng)于HRC60一HRC65)。但大部分軸承的顯微組織中不同程度的出現(xiàn)了回火屈氏體，如圖2.5b所示，這些地方的顯微硬度均降低到HV50卜700(相當(dāng)于HRC50~60)�；鼗鹎象w的產(chǎn)生溫度一般在300一500℃，在熱處理工藝中屬于中溫回火。其目的是獲得高的屈強(qiáng)比、彈性極限和一定的韌性，但同時(shí)工件的耐磨性和硬度會(huì)相應(yīng)降低，一般在HRC30一50左右。a.某硬度為HRC62的牙爪軸頸金相圖b.某硬度為HRC56的牙爪軸頸金相圖圖2.5火效后不同硬度才輪鉆頭牙爪軸頸的金相圖表2.2中列出了所收集鉆頭中6只由于軸承失效導(dǎo)致鉆頭無(wú)法正常工作的牙輪鉆

流變實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)儀器為HAAKEVT500型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、MVI測(cè)量系統(tǒng)、HAAKEF3一C精密恒溫水浴(控溫精度士0.1℃)，水浴循環(huán)介質(zhì)為液體石蠟(餾出溫度300℃)，測(cè)定的溫度范圍為50一150℃，如圖3.2所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)定的原始數(shù)據(jù)詳見附錄A。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)流變性數(shù)據(jù)，繪制了在溫度范圍50一150℃時(shí)RB型潤(rùn)滑脂剪切應(yīng)力與剪切率的變化曲線圖，如圖3.3所示。從圖3.3上可看出，該型號(hào)牙輪鉆頭所用潤(rùn)滑脂在所測(cè)溫度范圍內(nèi)剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系，表現(xiàn)為典型的Bingham(塑性)流體。

7.4本章小結(jié)在本文第6章的基礎(chǔ)上，完成了牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承熱流體動(dòng)力潤(rùn)滑計(jì)算機(jī)仿真分析軟件的研制，并利用該仿真分析軟件對(duì)81/2”牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承在不同工況和不同結(jié)構(gòu)下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析。仿真分析結(jié)果表明:.當(dāng)牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承的間隙配合為內(nèi)大外小時(shí)，浮動(dòng)套轉(zhuǎn)動(dòng)正常，當(dāng)內(nèi)外間隙比在2.0一3.0時(shí)，載荷不變時(shí)浮動(dòng)套軸承的轉(zhuǎn)速比在0.43一0.%之間變化，內(nèi)外軸承同時(shí)工作，可以起到降低相對(duì)滑動(dòng)速度、減小摩擦功率損耗和降低溫升的作用;.當(dāng)浮動(dòng)套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨著載荷的增加，浮動(dòng)套轉(zhuǎn)速呈下降趨勢(shì)，當(dāng)載荷不變，牙輪轉(zhuǎn)速增加時(shí)，浮動(dòng)套軸承轉(zhuǎn)速比下降;.當(dāng)間隙比進(jìn)一步增加到4.0以上時(shí)，重載荷工況下浮動(dòng)套有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)徑向載荷較小時(shí)(<2okN)，由于外油膜摩擦力過(guò)大，浮動(dòng)套完全隨牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)，即浮動(dòng)套與牙輪之間無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)外摩擦副停止工作，不能起到降低相對(duì)滑動(dòng)速度、降低摩擦損耗的作用;

【引證文獻(xiàn)】

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1 何畏;湯海平;徐彤;劉杰;鄧嶸;;牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)試驗(yàn)[J];石油礦場(chǎng)機(jī)械;2011年12期

2 何畏;孫宇;邱亞玲;王向濤;湯海平;劉杰;;新型牙輪鉆頭球面浮動(dòng)套軸承設(shè)計(jì)與分析[J];潤(rùn)滑與密封;2012年09期

3 韓傳軍;張杰;蔣光強(qiáng);林發(fā)權(quán);;牙輪鉆頭空心滾滑復(fù)合軸承的設(shè)計(jì)[J];天然氣工業(yè);2013年03期

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1 楊斌;牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承接觸應(yīng)力分析研究[D];西南石油學(xué)院;2005年

2 王龍龍;基于金剛石和硬質(zhì)合金復(fù)合焊的鋼齒鉆頭齒面強(qiáng)化技術(shù)研究[D];西南石油大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2764524