牙輪鉆頭滑動軸承力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)試驗

何 畏，湯海平，徐 彤，劉 杰，鄧 嶸

（1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，成都610500；2.四川石油管理局成都總機械廠，成都610051） ①

牙輪鉆頭滑動軸承力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)試驗

何 畏1，湯海平1，徐 彤2，劉 杰1，鄧 嶸1

（1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，成都610500；2.四川石油管理局成都總機械廠，成都610051）①

牙輪鉆頭軸承的性能與牙輪鉆頭的壽命密切相關(guān)，其主要失效形式之一是粘著磨損。通過對軸承的受力分析，采用在牙輪鉆頭原大軸頸上鑲固定耐磨軸套，并用磁控濺射技術(shù)在軸套上生成TiN／TiAlN復(fù)合涂層的改進(jìn)技術(shù)。經(jīng)臺架試驗證明，該技術(shù)提高了軸承的高承載和抗磨損能力。

牙輪鉆頭；軸承；磨損；TiN／TiAlN；復(fù)合材料；試驗

牙輪鉆頭作為石油鉆井的重要工具，其壽命與鉆井效率有密切的關(guān)系，而軸承性能是影響鉆頭壽命的主要因素之一。在鉆井過程中，惡劣的環(huán)境以及工況使軸承加速磨損而失效［1－2］。

采用在牙爪大軸頸銑槽，然后敷焊耐磨合金，與鍍銀減磨涂層的牙輪配合，對提高軸承的性能作用不理想。為了能有效地提高軸承的抗磨損和高承載能力，采用在牙爪大軸頸處鑲襯套。襯套可以選擇強度高、熱變形小、抗磨損性能好的材料，并通過磁控濺射技術(shù)在摩擦面生成復(fù)合涂層。由于復(fù)合涂層以及軸套材料的優(yōu)異性能［3］，提高了軸承的抗磨損和承載能力，進(jìn)而提高鉆頭壽命。

1 軸承受力分析

牙輪鉆頭軸承失效的主要形式有2種：①因密封系統(tǒng)損壞而導(dǎo)致磨料磨損失效；②粘著磨損失效［4］。在密封系統(tǒng)正常工作的情況下，軸承的失效形式主要是粘著磨損。影響粘著磨損的主要因素有摩擦副材料特性的影響、表面溫度的影響、表面載荷的影響、滑動速度的影響以及表面粗糙度的影響。牙輪鉆頭軸承受力分析如圖1。

圖1 牙輪鉆頭軸承受力分析

三牙輪鉆頭牙爪采用對稱布置［5］，在對牙輪鉆頭軸承進(jìn)行受力分析時，將作用于軸承的分布力簡化為集中力，其中大軸頸徑向力為Pr1，小軸頸徑向力Pr2，止推軸承軸向力Pa。小軸頸承受的徑向載荷很小，占總徑向力的10%；大軸頸承受總徑向力的90%。在各牙輪上引入載荷分配系數(shù)a［5］。由于在實際的鉆井過程中，通常是牙輪鉆頭2＃軸承最先失效。取2＃軸承為分析對象，上述各力的計算公式為

式中，β為牙爪中心線與鉆頭中心線的夾角；P為鉆頭外載荷；a為載荷分配系數(shù)；Pr1為大軸頸徑向載荷；Pr2為小軸頸徑向載荷；Pa為止推軸承軸向載荷。

沿軸承周向的摩擦力矩為

式中，Rj1、Rj2為大、小軸頸半頸；f為軸承摩擦副之間的滑動摩擦因數(shù)。

1953年，Archard提出了粘著磨損的計算模型，即

式中，V為磨損體積；ks為粘著磨損常數(shù)；l為滑動距離。

將式（1）代入式（3）得

式中，Vr1為大軸頸磨損體積；Vr2為小軸頸磨損體積；Va為軸向磨損體積。

式（4）中，Vr1、Vr2、Va的大小與β有關(guān)。通過比較得：Vr1的值比Vr2的值大，因此只需要比較Vr1與Va的值。通常，β的取值與地層情況相關(guān)，軟地層鉆頭β角較大，為56°～59°；硬地層鉆頭β角較小，為51°～55°［7］。將β值代入（4）式可得：當(dāng)β＝59°時，V取最大值為；當(dāng)β＝51°時，V取最小r1r1值為當(dāng)β＝51°時，V取最大值kas；當(dāng)β＝59°時，V取最小值a通過比較，Vr1的最小值大于Va的最大值，在大軸頸處的載荷值最大，磨損更嚴(yán)重。同時由于井底地層、形貌的變化以及鉆頭切削齒的分布、數(shù)量等的影響，使軸承承受沖擊載荷、工作環(huán)境的高溫、軸承副摩擦產(chǎn)生的溫度、井底腐蝕性介質(zhì)，使軸承的性能進(jìn)一步降低，嚴(yán)重影響了鉆頭的壽命［8］。因此，解決牙輪鉆頭失效的主要問題應(yīng)是首先提高大軸頸的耐磨性和抗膠合的能力。

2 試驗鉆頭試制

牙輪鉆頭軸承鑲襯套是提高軸承壽命的一種途徑。軸套的材料可以選擇高強度耐磨合金材料，不局限于牙輪鉆頭原軸承基體材料的限制，可以有效地提高軸承的抗磨損能力。本試驗鉆頭軸套材料采用具有硬度高、紅硬性及高溫硬度好的高速鋼W18Cr4V。其熱處理過程為：在860～880℃退火，保溫2～3h，然后800～850℃預(yù)熱然后迅速加熱到淬火溫度1 220～1 250℃后油冷，最后在560℃進(jìn)行2～3次回火，回火時保溫1h。W18Cr4V經(jīng)過熱處理后在500℃和600℃時硬度仍能分別保持在HRC57～58和HRC52～53。

磁控濺射技術(shù)是目前應(yīng)用十分廣泛的一種復(fù)合涂層沉積技術(shù)，性能優(yōu)異的復(fù)合涂層能顯著改善零件摩擦面的摩擦性能［9］。TiN／TiAlN復(fù)合涂層是近年來研究較多的復(fù)合涂層之一，該復(fù)合涂層平整光滑，均方根粗糙度低，組織均勻，具有良好的高溫抗氧化性能，摩擦性能穩(wěn)定，硬度較高［10］，其性能參數(shù)如表1。

由于TiN／TiAlN復(fù)合涂層的生成溫度低于W18Cr4V的回火溫度，因此不會影響W18Cr4V的性能，涂層金相組織如圖2。軸套鍍TiN／TiAlN復(fù)合涂層工藝路線如圖3。其中，TiN／TiAlN復(fù)合涂層的制備可采用在軸套基體上先鍍TiN然后再鍍TiAlN，交替5次，生成10層TiN／TiAlN復(fù)合涂層，涂層厚度為10μm。

表1 TiN／TiAlN涂層性能參數(shù)

圖2 涂層金相組織

圖3 軸套鍍TiN／TiAlN復(fù)合涂層工藝路線

此次試驗所用鉆頭為215.9mm（8英寸）ST517G－1橡膠密封滑動軸承鉆頭。其中，1＃牙爪采用普通軸承；2＃牙爪大軸頸處鑲套軸，軸套材料為W18Cr4V，并在其摩擦面鍍有TiN／TiAlN復(fù)合涂層；3＃牙爪大軸頸處鑲W18Cr4V制成的軸套；然后分別與摩擦面鍍銀減磨復(fù)合涂層的牙輪配合。軸套與大軸頸的配合采用過盈配合，過盈量為0.04 mm，以限制軸套在工作過程中的相對滑動。鑲鍍TiN／TiAlN復(fù)合涂層襯套軸承如圖4所示，鑲套鍍復(fù)合涂層牙爪如圖5所示。

圖4 鑲鍍TiN／TiAlN復(fù)合涂層襯套軸承

圖5 鑲套鍍復(fù)合涂層牙爪

3 試驗

開始試驗時鉆頭鉆壓從0慢慢加至80kN，轉(zhuǎn)速從0慢慢加至40r／min，3h5min后逐漸加壓，經(jīng)6h25min后井底跑合試驗至井底形成。檢查發(fā)現(xiàn)：牙輪外排齒圈斷齒1粒，其他無異常。根據(jù)試驗要求（鉆壓、轉(zhuǎn)速分段試驗）作不同階段試驗，每小時檢查1次鉆頭。試驗至26h25min，停機檢查發(fā)現(xiàn)：1＃、2＃、3＃牙輪轉(zhuǎn)動靈活、無新的斷齒；繼續(xù)以160 kN鉆壓、100r／min轉(zhuǎn)速，試驗至78h35min時因發(fā)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)動聲音異常而停機。檢查發(fā)現(xiàn)：2＃牙輪軸向輕微間隙，轉(zhuǎn)動牙輪能清晰聽見鎖緊軸承聲音，同時2排齒圈斷齒5粒；1＃、3＃牙輪軸承轉(zhuǎn)動靈活、無間隙，也無新的斷齒；3個牙輪輪體磨損較大，輪背齒破損較多；根據(jù)試驗要求結(jié)束試驗。試驗過程參數(shù)如表2。

表2 試驗參數(shù)

4 試驗結(jié)果

1） 根據(jù)三牙輪鉆頭臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)SY／T 5164—2008中對密封滑動軸承保頸鉆頭軸承性能試驗的工作壽命要求，215.9mm（8英寸）密封滑動軸承保頸鉆頭軸承性能試驗的工作壽命不低于80 h平均值（60h最低值）；此次試驗的215.9mm（8英寸）ST217G－1型鉆頭累積純鉆時間達(dá)78h35min。因分段試驗，160kN鉆壓、100r／min轉(zhuǎn)速用時52h10 min，其試驗結(jié)果應(yīng)按下式進(jìn)行折算，即

折算數(shù)據(jù)＝試驗數(shù)據(jù)×（實際鉆壓／規(guī)定鉆壓）×（實際轉(zhuǎn)速／規(guī)定轉(zhuǎn)速）

根據(jù)上式計算得出：純鉆時間為92h3min，高于80h的平均值。

2） 1＃軸承的粘著磨損情況比較嚴(yán)重；2＃軸承的TiN／TiAlN復(fù)合涂層部分磨損，且軸套摩擦面比較光滑，復(fù)合涂層未出現(xiàn)脫落，經(jīng)過測量磨損厚度為4μm；3＃軸承軸套輕微磨損，未出現(xiàn)粘著磨損的情況；2＃、3＃軸承可以繼續(xù)正常工作。

5 結(jié)論

1） 通過計算，確定牙輪鉆頭大軸頸處的載荷最大，磨損最嚴(yán)重。

2） 在密封系統(tǒng)正常工作的情況下，軸承失效的主要形式是粘著磨損，軸承鑲套有效地提高了軸承抗磨損的能力。在軸承襯套摩擦面上通過磁控濺射工藝鍍TiN／TiAlN復(fù)合涂層，使襯套的性能進(jìn)一步提高。

3） TiN／TiAlN復(fù)合涂層具有優(yōu)良的抗磨損能力，經(jīng)過78h35min的試驗，只有4μm復(fù)合涂層磨損，能有效地改良材料表面性能。

4） 牙輪鉆頭軸承鑲襯套并通過磁控濺射鍍TiN／TiAlN復(fù)合涂層，有效延長了軸承的壽命。

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Mechanical Analysis and Improved Structure Experiment of Rock Bit Sliding Bearing

HE Wei1，TANG Hai－ping1，XU Tong2，LIU Jie1，DENG Rong1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China；2.Chengdu Mechanical Works，Sichuan Petroleum Administration Bureau，Chengdu610051，China）

The bearing performance and rock bit life are closely related.Adhesive wear is one of the main failure modes of bearing.Via analyzing the force on the bearing and using fix wearproof bushings on the original bearings and generate TiN／TiAlN composite coating on the bushings by magnetron sputtering，this technology extends the lives of bearings，which was proved by bench test.

roller bit；bearing；wear；TiN／TiAlN；composite material；testing

1001－3482（2011）12－0066－04

TE921.1

A

2011－06－15

四川省科技計劃項目（2009GZ0026）；“石油天然氣裝備”省部共建教育部重點實驗室開放基金（2006STS01）

何 畏（1961－），男，四川南充人，副教授，主要從事石油鉆采設(shè)備的研究。