渦輪鉆具支承節(jié)的結(jié)構(gòu)分析

何涵 吳文秀 成芳

摘 要：支承節(jié)是渦輪鉆具的重要組成部分，也是其最脆弱的部分。它主要由主軸、殼體、軸承和花鍵軸四大部分組成。本文先簡(jiǎn)要介紹了渦輪鉆具的工作原理和組成部分，并通過比較分析，確定了一種適合渦輪鉆具支承節(jié)工作環(huán)境的推力軸承，最后重點(diǎn)對(duì)渦輪鉆具支承節(jié)的主要組成部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的分析和設(shè)計(jì)，旨在為其后續(xù)的研究工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：渦輪鉆具 支承節(jié) 軸承

中圖分類號(hào)：TE921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（c）-0059-03

渦輪鉆具在工作時(shí)，高壓液體通過渦輪，分別與定子和轉(zhuǎn)子葉片相互作用，發(fā)生動(dòng)量矩改變，使壓力能轉(zhuǎn)化為渦輪鉆具主軸的機(jī)械能，使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生較大力矩后帶動(dòng)鉆頭破碎巖石。同時(shí)，泥漿經(jīng)過動(dòng)力鉆具后，進(jìn)入鉆頭，并從鉆頭水眼中噴出沖洗井底，再?gòu)沫h(huán)形空間返回，帶走巖屑，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)[1]。

渦輪鉆具主要包括渦輪節(jié)和支承節(jié)。其中渦輪節(jié)是渦輪鉆具的動(dòng)力源，決定著渦輪鉆具性能的好壞。單獨(dú)作用的渦輪節(jié)輸出的轉(zhuǎn)速較高，扭矩小，輸出經(jīng)常達(dá)不到理想的效果。現(xiàn)代化的渦輪鉆具大多配備了減速器，減速器可以將渦輪鉆具輸出的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為中低轉(zhuǎn)速，小扭矩轉(zhuǎn)化成大扭矩，達(dá)到理想的輸出狀態(tài)。支承節(jié)是渦輪鉆具的第二大組成部分，它的主要職能是承受鉆壓，傳遞渦輪節(jié)動(dòng)力。在工作過程中，支承節(jié)要受到很大的由渦輪節(jié)傳來的動(dòng)載荷，容易損壞，是整個(gè)渦輪鉆具中的脆弱部分。因此，為了便于維修和更換，在設(shè)計(jì)的過程中，支承節(jié)往往單獨(dú)成節(jié)。減速器渦輪鉆具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 推力軸承的選擇

渦輪鉆具的壽命主要取決于其支承節(jié)，而支承節(jié)的壽命則主要取決于其內(nèi)部的推力軸承，因此，選擇合適的推力軸承，對(duì)提高渦輪鉆具的工作壽命和鉆井效率有著至關(guān)重要的作用。對(duì)比橡膠-金屬止推軸承，深溝球軸承和四支點(diǎn)推力球軸承的優(yōu)缺點(diǎn)，選出最適合減速器渦輪鉆具的止推軸承。橡膠-金屬止推軸承壽命短，摩擦損失大，且不耐高溫，優(yōu)點(diǎn)是其價(jià)格便宜。深溝球軸承主要用于承受徑向載荷，也可承受較小的軸向載荷。這種軸承運(yùn)用比較普遍且價(jià)格低廉。四支點(diǎn)推力球軸承是采用55SiMoV特殊軸承鋼制造，其內(nèi)外圈熱處理硬度稍低于鋼球硬度。通常采用多列串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，具有承載能力大、耐沖擊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和拆裝方便，并能承受雙向軸向載荷，摩擦損失小，軸承壽命比橡膠-金屬止推軸承長(zhǎng)很多，適用于轉(zhuǎn)速低、載荷大、震動(dòng)劇烈的場(chǎng)合且能耐高溫，但價(jià)格相對(duì)較貴[2]。

結(jié)合渦輪鉆具的實(shí)際工作條件，橡膠-金屬止推軸承由于其材料有橡膠成分，不利于高溫工作。而且它不能承受大載荷和劇烈震動(dòng)，不耐沖擊，容易損壞。其摩擦損失也很大，降低了渦輪鉆具的效率。深溝球軸承不能承受過大的軸向載荷，而支承節(jié)止推軸承需要承受整個(gè)渦輪鉆具大部分的軸向力。與以上兩種止推軸承相比，四支點(diǎn)推力球軸承球軸承不存在上述缺點(diǎn)，且綜合性能更好，更加適合井下工作，因此應(yīng)選擇使用四支點(diǎn)推力球軸承。

2 主要組成部分

2.1 主軸

支承節(jié)主軸主要用來傳遞功率和扭矩。上端為普通螺紋，用于防松；下端為標(biāo)準(zhǔn)的錐形接頭螺紋，以便與鉆頭相連。中間要求保證泥漿的通過，完成高壓泥漿驅(qū)動(dòng)鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)過程。故采用空心軸結(jié)構(gòu)。在裝配過程中，先在軸的外部套上軸承，然后通過花鍵軸螺紋將花鍵軸與軸聯(lián)接在一起，此時(shí)軸承組內(nèi)圈被花鍵軸壓緊，這樣便實(shí)現(xiàn)了軸承組系統(tǒng)的軸向定位，如圖2所示。

2.2 殼體

支承節(jié)殼體兩端均有螺紋，通過螺紋連接將殼體內(nèi)零件壓緊，使零件在工作過程中不出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。在裝配的時(shí)候，先在殼體里面裝上軸承，然后在殼體的兩端分別為用螺紋與上接頭和下接頭連接，上、下接頭可以壓緊軸承的兩端外圈，這樣便實(shí)現(xiàn)了軸和軸承的系統(tǒng)軸向定位，如圖3所示。

2.3 軸承

渦輪鉆具支承節(jié)軸承主要有推力軸承和扶正軸承兩大類。其中推力軸承主要用來承受來自渦輪節(jié)的軸向推力，由于在渦輪鉆具的工作過程中，支承節(jié)所承受的來自渦輪節(jié)的軸向動(dòng)載很大，而這些軸向動(dòng)載均由推力軸承所承受，所以支承節(jié)的推力軸承極容易損壞，是整個(gè)渦輪鉆具的易損部件。支承節(jié)主軸一般具有很大的長(zhǎng)度，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在徑向力的作用下很容易產(chǎn)生擺動(dòng)。為了解決這個(gè)問題，主軸的上下兩端均被裝上了可以有效減少?gòu)较驍[動(dòng)的滑動(dòng)軸承，這種軸承被稱為扶正軸承，該軸承的內(nèi)部表面均鑲嵌了耐磨性能很好的硬質(zhì)合金快，擁有很長(zhǎng)的使用壽命，如圖4、5所示。

2.4 花鍵軸

渦輪鉆具支承節(jié)中的花鍵軸裝配于渦輪節(jié)的最后一節(jié)與支承節(jié)之間，它的作用是傳遞二者之間的扭矩；在花鍵軸軸壁的中間部位，開有3個(gè)互相呈120°，均布的泥漿流道，高壓泥漿可以從這些流道中的流通，然后進(jìn)入鉆頭部位以沖洗鉆井過程中產(chǎn)生的巖屑，起到保持清潔的作用。

花鍵軸的截面為齒面，其主要失效形式為齒面磨損失效和壓潰失效。當(dāng)齒面摩擦或者嚙合齒面之間落入磨料性物質(zhì)，都會(huì)使齒面磨損報(bào)廢，導(dǎo)致磨損失效。而當(dāng)齒面所受的壓力不均勻，或者壓力過大超過了齒面的承受范圍，則容易產(chǎn)生齒面壓潰，導(dǎo)致壓潰失效，如圖6、圖7、圖8所示。

2.5 整體結(jié)構(gòu)

完成各個(gè)部分零件的設(shè)計(jì)后，渦輪鉆具支承節(jié)的整體結(jié)構(gòu)裝配圖如圖9所示。

3 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)未來表層石油資源緊缺，石油開采難度增大的必然趨勢(shì)，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，未來石油的開采將面對(duì)超深井、難開采井、老井側(cè)鉆和深層勘探不斷增加的發(fā)展趨勢(shì)。而目前我們國(guó)產(chǎn)的渦輪鉆具距離國(guó)外先進(jìn)水平還有很大的差距，為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，我們的科研人員必須虛心學(xué)習(xí)，勇于創(chuàng)新，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)，完善工藝，爭(zhēng)取讓我們中國(guó)的渦輪鉆具也邁入世界前列。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙政.基于SOLIDWORKS的浮動(dòng)定子240渦輪鉆具支承節(jié)[J].科學(xué)導(dǎo)報(bào)·教育論壇，2015（11）：253.

[2] 張思朋，王偉.減速渦輪鉆具支承節(jié)的結(jié)構(gòu)選擇[J].民營(yíng)科技，2015（11）：34-35.