螺桿鉆具用新型推力球軸承的設計及力學分析

許慶剛，孫璇甍，張繼升

（1.長城鉆探工程有限公司委內瑞拉綜合項目部，遼寧　盤錦　124000；2.北京鐵路局北京工務段，北京　100077；3.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦工藝研究院，四川　瀘州　646000）

螺桿鉆具用新型推力球軸承的設計及力學分析

許慶剛1，孫璇甍2，張繼升3

（1.長城鉆探工程有限公司委內瑞拉綜合項目部，遼寧盤錦124000；2.北京鐵路局北京工務段，北京100077；3.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦工藝研究院，四川瀘州646000）

推力軸承組是螺桿鉆具傳動軸總成中的薄弱環(huán)節(jié)之一，它直接影響著螺桿鉆具的使用壽命。在傳統(tǒng)四點接觸球軸承的基礎上設計了一種新型推力球軸承。并利用有限元軟件對設計的推力球軸承進行了力學分析，研究了軸向載荷、滾珠直徑和滾道曲率半徑對其力學性能的影響。結果發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的四點接觸球軸承相比，改進后的推力球軸承較的應力更小。其中，滾珠的等效應力和接觸應力隨軸向載荷和滾道曲率半徑的增大而增大，隨著滾珠直徑的增大而減小，且均成非線性規(guī)律變化。

螺桿鉆具；推力球軸承；有限元；力學性能

0　引言

螺桿鉆具的傳動軸總成主要由主軸殼體、傳動軸、推力軸承組、徑向滑動軸承和其他輔助零件等組成。其中的推力軸承組為多級串聯(lián)的四點接觸球軸承，一般為5～13級，這種軸承能夠承受較大的軸向載荷，占用空間小，結構緊湊，而且可以承受雙向載荷［1］。由于井底惡劣的工作環(huán)境，經常發(fā)生過早的失效，如滾珠和滾道的磨損、破裂等，縮短了整個螺桿鉆具的使用壽命，影響了鉆進速度。如2005～2006年間長慶石油勘探局西川石油工具廠修理的178套螺桿鉆具中，因推力軸承、傳動軸和傳動軸殼體損壞的有102套，約占螺桿鉆具損壞成因的57%，其中壽命不超過60h的絕大部分問題都出在傳動軸上［2］。長慶油田勘探局鉆井二處統(tǒng)計螺桿鉆具137套，其中報廢58套，修復79套，由于推力軸承損壞的29套，占失效總數(shù)的21.2%［3］。因而本文對螺桿鉆具用的四點接觸推力球軸承進行了結構改進，設計了一種新型推力球軸承，并對其力學性能進行了分析。

1　推力球軸承組的設計

圖1為本文設計的螺桿鉆具用推力球軸承組。這種推力球軸承結構與普通推力球軸承的結構基本相同，它主要由軸承外圈、內圈、滾珠和套筒等組成，在這種推力軸承組中，鉆井液通道呈“迷宮式”結構，相對于“直通式”結構其冷卻效果更好，而且不容易產生徑向力。

2　有限元計算模型

為了研究改進后推力球軸承的力學性能，在有限元軟件中建立了推力球軸承的力學模型，每組軸承的滾珠數(shù)為17，滾珠直徑為19 mm，內外圈的滾道曲率半徑均為10 mm。軸承材料為55SiMoVA鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。采用8節(jié)點線型六面體單元C3D8R對模型進行網格劃分，劃分網格后的有限元模型如圖2所示。對接觸部位的網格進行細化，使其能夠更好地捕捉到接觸狀態(tài)的變化，進而保證有限元仿真結果的準確性。

模型的下端為推力軸承的內圈，上端為推力軸承的外圈。根據推力軸承的承載工況，對軸承內圈的底面施加固定約束，對內圈的內圓柱面和外圈的外圓柱面施加除螺桿軸向方向以外的所有約束。當鉆壓為100kN時，求得軸向載荷為31kN，在軸承外圈的上表面施加相當?shù)木驾d荷。

圖1　常規(guī)推力球軸承組結構Fig.1 Conventional thrust ball bearing group structure

圖2　推力球軸承有限元模型Fig.2 Finite element model of thrust ball bearing

3　推力球軸承的力學分析

圖3為推力球軸承中，滾珠與軸承內外圈的接觸應力云圖。從圖中可以看出，滾珠的接觸應力呈橢圓形分布，且長軸較長。滾珠的最大接觸應力為2.11GPa，小于文獻［4］中四點球軸承的最大接觸應力2.768GPa，說明了對推力球軸承進行改進后，其疲勞壽命更長，因而這種結構設計較為合理。

圖3　軸承的接觸應力云圖Fig.3 Contact stress nephogram of bearing

3.1軸向載荷的影響

圖4為滾珠的最大等效應力和接觸應力隨軸向載荷的變化曲線。由圖可知，滾珠的接觸應力大于其等效應力，兩種應力隨軸向載荷的增大而增大，但是均呈現(xiàn)出非線性規(guī)律。當軸向載荷小于20kN時，等效應力和接觸應力的變化率較大，當載荷超過20kN時，應力的變化率變緩。隨著軸向載荷的增大，接觸應力和等效應力的差值越來越大。說明，當推力球軸承組承受的軸向載荷突然增大時，會導致滾珠的等效應力和接觸應力發(fā)生突變，在沖擊較為劇烈的工況下，容易造成滾珠的破裂。

圖4　滾珠應力隨軸向載荷變化曲線Fig.4 Stress of ball with the axial load

3.2滾珠直徑

由于螺桿鉆具推力球軸承組中的滾珠為滿排布置，無軸承保持架，因而滾珠的直徑不但影響滾珠的個數(shù)，同時對軸承的力學性能也有較大的影響。圖5為在相同載荷工況下，滾珠的最大等效應力和最大接觸應力隨滾珠直徑的變化曲線。從圖中可以看出，無論是等效應力還是接觸應力均隨著滾珠直徑的增大而減小，但并不完全是線性變化。說明增大滾珠的直徑可以改善其受力狀態(tài)，但并不是越大越好。因為螺桿鉆具推力軸承組的結構空間有限，如果滾珠的直徑過大，每列中的滾珠數(shù)目就會減少，也會降低整個軸承的承載能力，同時也會導致軸承內外圈的結構過于單薄，容易引起套圈的過早斷裂，降低軸承的使用壽命。

圖5　滾珠應力隨直徑變化曲線Fig.5 Stress of ball with the diameter of ball

表1　軸承內外圈隨滾珠直徑變化的應力值Tab.1 Stress of bearing inner ring and outer ring with the ball diameter

表1所示為軸承內、外圈的等效應力與滾珠接觸應力的應力極值。從表中可知，無論是軸承內圈還是軸承外圈，其等效應力和接觸應力均隨著滾珠直徑的增大而減小，但都呈現(xiàn)非線性規(guī)律變化。無論在何種球徑下，軸承外圈的等效應力和接觸應力均小于軸承內圈，說明在同種工況下，軸承的外圈比軸承內圈更容易發(fā)生失效。

3.3滾道曲率半徑

當滾珠的直徑為19 mm時，軸承內外圈滾道的曲率半徑取不同值時，滾珠的最大等效應力和接觸應力如圖6所示。由圖可知，隨著滾道直徑的增大，滾珠的最大等效應力和接觸應力均增大，但表現(xiàn)出了極大的非線性，當滾道直徑小于21.5mm時，滾珠應力值的變化率較大，而當滾珠直徑大于21.5mm時，兩種應力值的變化逐漸變緩。但是滾道曲率直徑的設計并不是越小越好，如果太小，則不能與滾珠相配合，如果過大，則會影響滾珠的受力及動力學性能。

圖6　滾珠應力隨著滾道直徑變化曲線Fig.6 Stress of ball with the rollaway diameter

表2　軸承內外圈隨滾道直徑變化的應力極值Tab.2 Stress of bearing inner ring and outer ring with the rollaway diameter

表2為不同滾道曲率直徑下，軸承內外圈的最大等效應力和最大接觸應力。軸承內外圈的等效應力和接觸應力均隨著滾道曲率直徑的增大而增大，但是其變化率越來越小。當溝曲率直徑為20mm時，軸承外圈的兩種應力值大于軸承內圈，而其他工況下，結果相反。

4　總結

設計了一種新型的推力球軸承結構，并通過有限元軟件對其力學性能進行了分析，并研究了軸向載荷、滾珠直徑和滾道溝曲率半徑對其力學性能的影響得到以下結論：

（1）與傳統(tǒng)的四點接觸球軸承相比，改進后的推力球軸承的應力狀態(tài)得到了改善，可以提高軸承組的使用壽命。

（2）改進結構后推力球軸承中滾珠的等效應力和接觸應力隨軸向載荷的增大而增大，但是均呈現(xiàn)出非線性規(guī)律。

（3）滾珠的等效應力和接觸應力均隨著滾珠直徑的增大而減小，隨著滾珠直徑的增大，滾珠與軸承圈的橢圓形接觸斑面積越來越大，且接觸斑的橢圓長軸變化較大，而短軸變化較小。

（4）隨著滾道曲率半徑的增大，滾珠的最大等效應力和接觸應力成非線性規(guī)律增大。

［1］許福東，華北莊.三種渦輪鉆具用滾珠軸承承載能力分析與結構優(yōu)化［J］.石油礦場機械，2004，5.

［2］文濤.螺桿鉆具失效分析［D］.西安:西安石油大學，2008.

［3］童發(fā)明，劉社明，李天明等.螺桿鉆具失效情況統(tǒng)計分析［J］.石油礦場機械，1998，2.

［4］韓傳軍，張杰，劉洋，等.螺桿鉆具傳動軸總成故障樹建立及推力軸承應力分析［J］.礦山機械，2012，10.

Structure Improvement and Mechanics Analysis of the Thrust Ball Bearing for PDM

XU Qing-Gang1，SUN Xuan-Meng2，ZHANG Ji-Sheng3
（1.The Great Wall Drilling Engineering Company Limited，Panjin Liaoning 124000，China；2.Railway Service Section，Beijing Railway Administration，Beijing 100077，China；3.Shunan Gas Mine of Southwest Oil and Gas Field Branch，PCL，Luzhou Sichuan 646000，China）

The thrust bearing group is one weak link of PDM（positive displacement motor）drill，which affects the service life of the drilling tool.A new thrust ball bearing group in PDM drill was improved.The mechanics analysis was finished by using finite element software，and the effects of axial load，ball diameter and raceway curvature radius on the mechanical properties of ball bearing were studied.The result shows that the stress of the improved structure is smaller compared with the conventional four-point contact ball bearing.And，the equivalent stress and contact stress of the ball increased with the increase of axial load，raceway curvature radius，and decreased with the increase of ball diameter with a nonlinear law.

PDM；thrust ball bearing；finite element；mechanical properties

TE921.2

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.011

1002-6673（2015）01-032-03

2014-12-18

許慶剛（1965-），男，山東人，工程師。主要從事機械設計及力學分析相關工作。