牙輪鉆頭滑動軸承力學分析及結構改進試驗

何 畏，湯海平，徐 彤，劉 杰，鄧 嶸

（1.西南石油大學機電工程學院，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分析及結構改進試驗

何 畏1，湯海平1，徐 彤2，劉 杰1，鄧 嶸1

（1.西南石油大學機電工程學院，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，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，并用磁控濺射技術在軸套上生成TiN／TiAlN復合涂層的改進技術。經臺架試驗證明，該技術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在摩擦面生成復合涂層。由于復合涂層以及軸套材料的優異性能［3］，提高了軸承的抗磨損和承載能力，進而提高鉆頭壽命。

1 軸承受力分析

牙輪鉆頭軸承失效的主要形式有2種：①因密封系統損壞而導致磨料磨損失效；②粘著磨損失效［4］。在密封系統正常工作的情況下，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；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。

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；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。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，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β＝59°時，V取最大值為；當β＝51°時，V取最小r1r1值為當β＝51°時，V取最大值kas；當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、數量等的影響，使軸承承受沖擊載荷、工作環境的高溫、軸承副摩擦產生的溫度、井底腐蝕性介質，使軸承的性能進一步降低，嚴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℃預熱然后迅速加熱到淬火溫度1 220～1 250℃后油冷，最后在560℃進行2～3次回火，回火時保溫1h。W18Cr4V經過熱處理后在500℃和600℃時硬度仍能分別保持在HRC57～58和HRC52～53。

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

由于TiN／TiAlN復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復合涂層工藝路線如圖3。其中，TiN／TiAlN復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復合涂層，涂層厚度為10μm。

表1 TiN／TiAlN涂層性能參數

圖2 涂層金相組織

圖3 軸套鍍TiN／TiAlN復合涂層工藝路線

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復合涂層襯套軸承如圖4所示，鑲套鍍復合涂層牙爪如圖5所示。

圖4 鑲鍍TiN／TiAlN復合涂層襯套軸承

圖5 鑲套鍍復合涂層牙爪

3 試驗

開始試驗時鉆頭鉆壓從0慢慢加至80kN，轉速從0慢慢加至40r／min，3h5min后逐漸加壓，經6h25min后井底跑合試驗至井底形成。檢查發現：牙輪外排齒圈斷齒1粒，其他無異常。根據試驗要求（鉆壓、轉速分段試驗）作不同階段試驗，每小時檢查1次鉆頭。試驗至26h25min，停機檢查發現：1＃、2＃、3＃牙輪轉動靈活、無新的斷齒；繼續以160 kN鉆壓、100r／min轉速，試驗至78h35min時因發現鉆頭轉動聲音異常而停機。檢查發現：2＃牙輪軸向輕微間隙，轉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；根據試驗要求結束試驗。試驗過程參數如表2。

表2 試驗參數

4 試驗結果

1） 根據三牙輪鉆頭臺架試驗標準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78h35min。因分段試驗，160kN鉆壓、100r／min轉速用時52h10 min，其試驗結果應按下式進行折算，即

折算數據＝試驗數據×（實際鉆壓／規定鉆壓）×（實際轉速／規定轉速）

根據上式計算得出：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重；2＃軸承的TiN／TiAlN復合涂層部分磨損，且軸套摩擦面比較光滑，復合涂層未出現脫落，經過測量磨損厚度為4μm；3＃軸承軸套輕微磨損，未出現粘著磨損的情況；2＃、3＃軸承可以繼續正常工作。

5 結論

1） 通過計算，確定牙輪鉆頭大軸頸處的載荷最大，磨損最嚴重。

2） 在密封系統正常工作的情況下，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復合涂層，使襯套的性能進一步提高。

3） TiN／TiAlN復合涂層具有優良的抗磨損能力，經過78h35min的試驗，只有4μm復合涂層磨損，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復合涂層，有效延長了軸承的壽命。

［1］ 趙國珍.牙輪鉆頭的運動和受力分析［J］.石油礦場機械，1986，15（1）：1－8.

［2］ 張 瑩，吳澤兵，王嘉容.三牙輪鉆頭滑動軸承副接觸有限元分析［J］.石油礦場機械，2009，38（2）：59－62.

［3］ 邵麗娟.非平衡磁控濺射離子鍍TiN／TiAlN復合涂層抗高溫氧化行為的研究［J］.材料熱處理技術，2009，38（8）：93－95.

［4］ 伍開松，馬德坤.牙輪鉆頭滑動軸承的特殊性及主要研究方向［J］.石油機械，2001，29（4）：52－54.

［5］ 王國榮.牙輪鉆頭浮動套軸承工作機理研究［D］.南充：西南石油學院，2004.

［6］ 楊聞達，吳澤兵，代 瑜.復合條件鉆井下三牙輪鉆頭的運動仿真［J］.石油礦場機械，2008，37（11）：29－33.

［7］ 江漢石油管理局鉆頭廠.江漢鉆頭使用手冊［K］.北京：石油工業出版社，1992.

［8］ 王國榮，鄭家偉，亢旗軍.牙輪鉆頭滑動軸承失效分析［J］.潤滑與密封，2006，10（10）：23－28.

［9］ 謝春雨，何 畏，徐 彤.TiN／TiSiN復合涂層的耐磨性能研究［J］.石油礦場機械，2008，37（2）：8－11.

［10］ 李志強，曾變榕.電弧離子鍍TiN／TiAlN復合涂層摩擦磨損性能研究［J］.深圳大學學報：理工版，2008，25（1）：103－106.

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備的研究。