【摘要】：牙輪鉆頭是石油鉆探工程中主要的破巖工具,其壽命和工作性能對(duì)鉆井質(zhì)量、鉆井效率及鉆井成本有重要影響。軸承系統(tǒng)作為牙輪鉆頭的關(guān)鍵部分,其快速失效是導(dǎo)致鉆頭壽命低的主要原因。本文綜合考慮結(jié)構(gòu)載荷和熱載荷的影響,利用有限元、接觸力學(xué)、摩擦磨損和熱力學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí),結(jié)合試驗(yàn)研究,從分析整個(gè)牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承系統(tǒng)的工作特性入手,運(yùn)用仿真軟件ANSYS完成了牙輪鉆頭空心圓柱滾子軸承的力學(xué)行為研究工作,并進(jìn)一步探討了各關(guān)鍵工程參數(shù)對(duì)軸承接觸力學(xué)特性及熱力耦合場(chǎng)的影響規(guī)律。本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作： (1)研究了牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承的工作特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料及工藝；分析了牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承的主要失效形式,分別為斷裂失效、塑性變形、磨損、燒蝕以及密封失效；對(duì)牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承的受力情況進(jìn)行了研究,推導(dǎo)和計(jì)算了軸承系統(tǒng)在鉆進(jìn)過(guò)程中的軸向載荷、徑向載荷及周向摩擦力矩。 (2)以流體動(dòng)壓潤(rùn)滑和Hertz接觸理論為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了測(cè)試牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承摩擦磨損性能的銷-盤單元試驗(yàn)方案,研究了不同工況條件下單元試件的摩擦因數(shù)、溫度及磨損量的變化規(guī)律,為軸承的力學(xué)特性分析提供了必要的材料性能參數(shù)。 (3)建立了牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承有限元計(jì)算模型,并對(duì)其在不同工況下的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果顯示,鉆壓和配合間隙對(duì)軸承性能的影響較為顯著,摩擦因數(shù)對(duì)軸承靜力學(xué)性能的影響較小,滾子個(gè)數(shù)和外徑對(duì)軸承性能的影響不具有明顯的規(guī)律性。 (4)為了改善牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承中大圓柱滾子的受力狀態(tài),將實(shí)心滾子改成空心結(jié)構(gòu),并對(duì)不同工況下牙輪鉆頭空心圓柱滾子軸承的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著空心度的增大,軸承各部件的等效應(yīng)力峰值、止推面和小軸頸面的接觸應(yīng)力峰值均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),當(dāng)空心度為55%時(shí)達(dá)到最小值,而空心滾子的接觸應(yīng)力峰值逐漸減��；鉆壓、摩擦因數(shù)、滾子個(gè)數(shù)和外徑、配合間隙等工程參數(shù)對(duì)空心結(jié)構(gòu)軸承性能的影響規(guī)律與實(shí)心結(jié)構(gòu)軸承較為相似；相比于常規(guī)型空心滾子,合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的圓錐型凹端空心滾子的應(yīng)力峰值減小,且端部應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善。 (5)研究了軸承的發(fā)熱量及對(duì)流換熱計(jì)算模型,采用有限元法對(duì)實(shí)心和空心結(jié)構(gòu)牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析和熱力耦合場(chǎng)分析,同時(shí)探討了空心度、鉆壓、摩擦因數(shù)、轉(zhuǎn)速和井溫等工程參數(shù)對(duì)空心結(jié)構(gòu)軸承熱力耦合場(chǎng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明,溫升是影響軸承力學(xué)性能的一個(gè)重要因素；與實(shí)心結(jié)構(gòu)軸承相比,合理空心度的空心結(jié)構(gòu)軸承各部件的溫度、應(yīng)力及位移峰值均明顯減小。 文中的研究成果為牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù),對(duì)提高牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承的使用壽命和可靠性有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TE921.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2528539