PDC推力軸承工作環(huán)境因素對熱失效影響規(guī)律的仿真

段晨偉

（長江大學，荊州 451199）

在針對中西部深層次地區(qū)小尺寸渦輪鉆具的研發(fā)過程中，隨著項目研究的深入，發(fā)現(xiàn)小尺寸渦輪鉆具推力軸承的研制存在諸多問題，其中推力軸承成為限制渦輪鉆具壽命的關(guān)鍵元件。聚晶金剛石復合材料（Polycrystalline Diamond Composite，PDC）具有高耐磨性。克朗普頓等人研究了天然金剛石對自身和其他材料的摩擦系數(shù)和磨損率，發(fā)現(xiàn)金剛石的摩擦系數(shù)和磨損率遠遠低于其他材料[1]。KESHAVAN和COOK對PDC軸承展開測試，重點探究PDC軸承的摩擦和磨損失效[2]。結(jié)論表明，機械磨損對PDC材料的影響微乎其微。SEXTON在對PDC軸承的高溫測試中發(fā)現(xiàn)，PDC材料在800 ℃時會發(fā)生相變，金剛石開始大范圍降解為石墨，硬度和耐磨性大大減小[3]。這導致軸承發(fā)生劇烈的機械磨損，工作壽命急劇縮短，直至完全失效[4]。

1 PDC軸承復合片實驗室高溫測試

PDC軸承在常溫至800 ℃高溫下發(fā)生的變化，如圖1所示。在常溫條件下，PDC軸承上的PDC插入復合片。表面光滑如新，完好無損。隨著溫度的逐漸升高，在達到一定高溫時的變化情況。表面隨著運行已經(jīng)開始出現(xiàn)些許劃痕，表面的光澤度也明顯下降。究其原因，高溫破壞了金剛石內(nèi)部的部分化學鍵，導致其材質(zhì)由金剛石向石墨轉(zhuǎn)化，材料性能下降。溫度達到800 ℃后，PDC插入復合片開始大規(guī)模轉(zhuǎn)化為石墨，PDC軸承的工作性能大幅下降，耐磨性無法達到要求，磨損嚴重，直至軸承徹底失效。此時，表面磨損明顯，無法繼續(xù)工作。這一過程明確了PDC軸承插入復合片的失效機理和失效機制，為之后的PDC軸承失效規(guī)律探索奠定了基礎。

PDC材料由于其內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)，相較其他材料來說具有極高的硬度和耐磨性，摩擦因數(shù)較低，導熱性通常是鋼材的10倍，可應用于小尺寸渦輪鉆具推力軸承的設計。因此，探究外部因素對PDC軸承失效的影響規(guī)律，可對PDC推力軸承的研究設計和實際應用提供重要的參考和指導意義。

對PDC推力軸承建模，利用ANSYS Workbench軟件進行熱力耦合分析，以800 ℃為軸承的熱失效臨界點，通過改變軸承轉(zhuǎn)速和改變軸承流量，分別得到PDC軸承熱失效時（極限狀況）軸承轉(zhuǎn)速和壓載的關(guān)系、軸承流量和壓載的關(guān)系等規(guī)律。

2 PDC軸承生熱理論分析

小尺寸渦輪鉆具PDC推力軸承工作時外部熱源遠遠不足，導致PDC復合片發(fā)生材料相變。熱量主要來自PDC軸承復合片運動過程中由于摩擦產(chǎn)生的熱量H。在PDC軸承工作過程中，散熱部分主要分為兩部分：一是PDC軸承本身的散熱H1（軸承向周圍環(huán)境散發(fā)自身熱量的趨勢）；二是工作時通過軸承PDC復合片的冷卻液在流動過程中帶走的熱量H2。帶走的熱量H2大小與PDC軸承復合片之間的間隙和冷卻液的流量大小有關(guān)。

三者之間的關(guān)系為

運動過程中摩擦生成的熱量H為

PDC軸承本身的散熱H1為

通過軸承冷卻液所帶走的熱量H2為

式中：f為軸承的摩擦因數(shù)；p為軸承的平均壓強，Pa；v為軸承的線速度，m·s-1；Cp為液體的比熱容，鉆井泥漿比熱容為3.2～3.5 J·g-1·℃-1；p為清水密度，取1.1～1.3 g·cm-3；Q為流量，m3·s-1；t0為液體的出口溫度，℃；t1為液體的入口溫度，℃；αs為軸承表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；πdB為軸承散熱面積。

3 PDC軸承承載面積

PDC軸承處于運動狀態(tài)時，軸承動環(huán)和靜環(huán)之間的接觸面積處于時刻變化中，存在最大軸承接觸面積和軸承最小接觸面積。為保證軸承的平穩(wěn)運行，軸承靜環(huán)和動環(huán)之間接觸的復合片數(shù)量最好為偶數(shù)和奇數(shù)。動、靜環(huán)復合片接觸面積變化示意圖。在考慮軸承工況條件和復合片相互間隙對復合片進行合理分布后，最大接觸面積和最小接觸面積的差值處于一個較小的范圍，同時軸承的復合片接觸面積大小處于一種規(guī)律性的變化。

4 PDC推力軸承熱失效仿真實驗

為更好地模擬和預測PDC推力軸承在井下的運行情況，對其進行了一系列仿真實驗。例如，模擬井下高溫環(huán)境下對推力軸承施加高轉(zhuǎn)速、高載荷的極限工況，再根據(jù)軸承的最高溫升是否達到800 ℃（造成PDC材料熱失效）進行規(guī)律的推理總結(jié)。

工作溫度為200 ℃，工作介質(zhì)為清水，動環(huán)布片數(shù)為21，靜環(huán)布片數(shù)為20，節(jié)圓直徑為Φ45.5 mm，布片直徑為Φ45.5 mm。為節(jié)省資源，對軸承模型進行一定程度的簡化，去除倒角和不必要的零部件。軸承動靜環(huán)之間的接觸面積處于不斷變化中，為230.49～230.92 mm2，故取平均值230.71 mm2。

圖1 PDC軸承模型

4.1 材料屬性及參數(shù)

軸承復合片材料為PDC，動靜環(huán)基座皆為42CrMo，具體屬性見表1[5]。

表1 軸承材料熱物理特性

4.2 接觸及載荷設置

接觸形式為顯式面面接觸。第一接觸面由動環(huán)的復合片上表面及柱面和動環(huán)座上表面組成，第二接觸面由靜環(huán)的復合片上表面及柱面和靜環(huán)座上表面組成。摩擦面之間的摩擦系數(shù)取0.06，計算時間設置為0.15 s。對模型進行網(wǎng)格劃分，單元類型為六面體網(wǎng)格（Hexa），劃分采取MultiZone方法，單元大小為1～4 mm。

對動環(huán)施加轉(zhuǎn)動約束，限制動環(huán)在平面上的左右移動，通過動環(huán)的角速度控制動環(huán)的轉(zhuǎn)動。限制靜環(huán)整體的6個自由度，對整個軸承施加對應的熱對流條件，并對動環(huán)施加對應的轉(zhuǎn)速，再對動環(huán)上表面施加軸向載荷，由動環(huán)指向靜環(huán)。

4.3 極限狀況下軸承轉(zhuǎn)速與壓力關(guān)系的測試方法

軸承轉(zhuǎn)速、流量一定時，以軸承PDC復合片上的溫度達到800 ℃為判斷基準，通過改變施加在軸承軸向的載荷大小，確定PDC推力軸承在此條件下的臨界載荷。不斷改變軸承轉(zhuǎn)速，重復上述實驗，得出PDC推力軸承關(guān)于轉(zhuǎn)速和載荷之間熱失效的規(guī)律。流量為Q，大小為5 m3·s-1。軸承轉(zhuǎn)速設置為400 r·min-1、800 r·min-1、1 200 r·min-1、1 600 r·min-1和2 000 r·min-1。

4.4 極限狀況下流量與載荷關(guān)系的測試方法

軸承轉(zhuǎn)速、流量一定時，以軸承PDC復合片上的溫度達到800 ℃為判斷基準，通過改變施加在軸承軸向的載荷大小，確定PDC推力軸承在此轉(zhuǎn)速下的臨界載荷。不斷改變流量的大小，重復上述實驗，得出PDC推力軸承熱失效中關(guān)于流量和載荷的規(guī)律。軸承轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1，軸承流量Q為1 m3·s-1、2 m3·s-1、3 m3·s-1、4 m3·s-1和5 m3·s-1。

5 PDC推力軸承測試結(jié)果

5.1 極限狀況下PDC復合片線速度與軸向力的關(guān)系

由圖2可得出，在PDC推力軸承熱失效的極限狀況下，PDC復合片線速度與軸向力呈負指數(shù)相關(guān)。換言之，PDC軸承的轉(zhuǎn)速越高，造成熱失效所需的軸向力就越?。籔DC軸承的轉(zhuǎn)速越低，造成熱失效所需的軸向力越高。

圖2 線速度與軸向力之間的關(guān)系曲線

5.2 極限狀況下通過軸承流量大小與軸向力的關(guān)系

從圖3可得出，通過軸承的流量大小與軸承熱失效所需的壓載大小呈正相關(guān)。通過改變軸承流量的大小可有效控制軸承熱失效的發(fā)生。

圖3 軸承流量大小與軸向力之間的關(guān)系

6 結(jié)論

PDC軸承因其具有高耐磨、承載能力高等顯著優(yōu)點，被應用于制作井下工具。對PDC推力軸承熱失效的相關(guān)因素進行仿真分析，探索和總結(jié)其影響規(guī)律，對實際工作應用具有指導意義。

在PDC軸承熱失效（800 ℃）的極限狀況下，PDC軸承的轉(zhuǎn)速和軸向力呈負指數(shù)相關(guān)，可以為PDC軸承的設計和應用提供參考。

在極限狀況下，通過軸承的流量大小與PDC軸承的軸向力大小呈正相關(guān)，表明流量可帶走PDC復合片因摩擦產(chǎn)生的熱量。因此，通過改變流量大小可有效防止PDC軸承熱失效的發(fā)生。