組合軸承復(fù)合圈的設(shè)計與仿真分析

朱 亮， 張 紅， 向 如， 龔 盼， 馮 定

(長江大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

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組合軸承復(fù)合圈的設(shè)計與仿真分析

朱 亮， 張 紅， 向 如， 龔 盼， 馮 定

(長江大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

為實現(xiàn)高造斜率井眼軌跡控制工具中主軸在旋轉(zhuǎn)的同時可以彎曲,采用一個調(diào)心滾子軸承、兩個推力調(diào)心軸承和軸承復(fù)合圈組成的特殊組合軸承結(jié)構(gòu)，組合軸承中復(fù)合圈是保證軸承正常工作的關(guān)鍵部件之一，采用仿真方法探究這種新形式組合軸承的使用性能。首先進行復(fù)合圈的設(shè)計，確定其尺寸參數(shù)和材料性質(zhì)，然后通過COMSOL Multiphysics仿真分析多組不同尺寸參數(shù)的復(fù)合圈承載情況，并進行對比優(yōu)化，設(shè)計出承載能力滿足條件的復(fù)合圈尺寸；最后對組合軸承的整體模型進行了分析校核，得出軸承整體受載情況，驗證設(shè)計的軸承復(fù)合圈滿足組合軸承使用要求。

組合軸承； 復(fù)合圈； 設(shè)計； 仿真分析

高造斜率井眼軌跡控制工具是一種新型的無極、可調(diào)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具[1]。因為它適應(yīng)目前油藏開發(fā)的發(fā)展趨勢，解決了目前鉆井技術(shù)的諸多難點。該工具適用于直井、定向井、超深井、大位移井、超薄油層水平井、長距離水平井、多分枝井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的勘探，能實現(xiàn)井眼軌跡的無極可調(diào)控制，能大大提高鉆井效率。相對于目前的鉆井工具而言具有很大的優(yōu)勢，具有軌跡控制精度高、井眼凈化好、位移延伸能力高、機械轉(zhuǎn)速高和鉆井效率高等諸多優(yōu)點[2]。在彎曲的井眼約束下，在高溫、高壓和高彎曲交變應(yīng)力等惡劣工況下，高造斜率井眼軌跡控制工具旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)十分復(fù)雜，工具失效問題尤為突出。這不僅對工具的承載能力和強度提出了更高的要求，還對其安全、密封及潤滑性能發(fā)出了更大的挑戰(zhàn)。軸承作為導(dǎo)向工具的最主要旋轉(zhuǎn)支撐零部件之一，其工作壽命和可靠度是支撐工具正常工作的有力保障。為了保證主軸在旋轉(zhuǎn)的同時可以彎曲,高造斜率井眼軌跡控制工具采用的是由一個調(diào)心滾子軸承和兩個推力調(diào)心軸承組成的特殊組合軸承形式，這種組合形式未見在其他裝備上應(yīng)用的報道[3]。軸承復(fù)合圈作為組合軸承結(jié)構(gòu)中連接軸承并使軸承位置相對固定的重要部件，在組合軸承中緊挨著中間調(diào)心滾子軸承并關(guān)于調(diào)心滾子軸承對稱分布(圖1)。

圖1 組合軸承剖視圖

復(fù)合圈的精確設(shè)計對整個組合軸承的使用性能有重要影響。本文根據(jù)軸承復(fù)合圈與軸承之間的配合關(guān)系，運用COMSOL Multiphysics仿真軟件完成對軸承復(fù)合圈進行設(shè)計分析，并對組合軸承模型進行整體應(yīng)力分析，驗證設(shè)計的軸承復(fù)合圈不僅能滿足自身強度要求而且還能滿足組合軸承整體正常使用性能要求，最終設(shè)計出滿足使用要求的軸承復(fù)合圈。

1 組合軸承復(fù)合圈受力分析

軸承復(fù)合圈是為了保證組合軸承的配合性能，調(diào)整軸承安裝過程游隙大小，工作過程中不使軸承之間直接相接觸致使軸承失效而采用的一個部件[4]。單個軸承使用過程中，可以根據(jù)選用的軸承類型而直接選擇普通軸承墊圈標準件，由于研制井眼軌跡控制工具過程中，組合軸承是多軸承配合使用結(jié)構(gòu)，組合軸承在工作過程中，復(fù)合圈的受力情況十分復(fù)雜，并不能簡單采用軸承墊圈標準件，需要設(shè)計出能與所選用的21314型軸承、29317型軸承相配合，并且滿足強度要求的復(fù)合圈[5]。

根據(jù)井眼軌跡控制工具的組合軸承裝配圖，可以確定軸承復(fù)合圈的形狀草圖。查閱軸承技術(shù)手冊，知29317型軸承軸圈接觸寬度B值為13 mm，軸圈內(nèi)徑d為85 mm，軸圈外徑D2為150 mm，21314型軸承內(nèi)徑d為70 mm,內(nèi)滾道之間最大直徑d2為94.3 mm,外徑D為150 mm，所以根據(jù)配合關(guān)系，由B=13 mm確定圖2中e邊的尺寸為13 mm；由29317軸承軸圈內(nèi)徑d=85 mm和21314軸承內(nèi)徑d=70 mm可以確定復(fù)合圈f+h=(85-70)/2=7.5 mm，再由復(fù)合圈與工具無配合關(guān)系可以確定復(fù)合圈外徑小于75 mm，在此取R=71 mm，則d=28.5 mm。

由于組合軸承在工具中的軸向尺寸一定，故復(fù)合圈總寬31 mm,即a+g=c+e+m=31 mm,其中為了保證復(fù)合圈不在剪切應(yīng)力作用下失效，確定g>e=13 mm，且g

a,b,c,d,e,f,g,h,m代表截面各邊尺寸值；

2 組合軸承復(fù)合圈仿真分析

2.1 材料的確定

考慮組合軸承的穩(wěn)定性、高效性使用要求和機械零部件設(shè)計過程中遵循經(jīng)濟性原則[7]，選取軸承復(fù)合圈材料為普通碳鋼，材料的物理參數(shù)分別為：楊氏模量E=2.1×1011Pa,泊松比γ=0.3。

2.2 載荷與約束的添加

考慮到組合軸承結(jié)構(gòu)中，軸承復(fù)合圈和推力調(diào)心滾子軸承之間是過盈配合關(guān)系，因此將復(fù)合圈和推力調(diào)心滾子軸承整體分析，在分析過程中將復(fù)合圈與軸承接觸面定義為一對接觸對。添加載荷時，將復(fù)合圈在實際工作過程中承受的載荷視為均布載荷，添加在復(fù)合圈內(nèi)圈一半的作用面上，推力調(diào)心滾子軸承滾道添加固定約束[8]。載荷、約束添加情況如圖3所示。

圖3 載荷與約束添加

2.3 網(wǎng)格劃分

計算過程中為確保仿真結(jié)果和節(jié)省仿真時間，選取自由三角形網(wǎng)格劃分，設(shè)定尺寸單元時選擇“較細化”參數(shù)，網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

2.4 計算及后處理

為反映軸承復(fù)合圈的應(yīng)力分布情況，先用應(yīng)力云圖展示整體模型應(yīng)力情況，然后用一維線圖反映復(fù)合圈一邊線的變形位移情況[8]。仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 復(fù)合圈應(yīng)力云圖

圖6 復(fù)合圈邊線位移—維線圖

由應(yīng)力云圖可清晰看到軸承復(fù)合圈各點的應(yīng)力分布情況，且由復(fù)合圈邊線的應(yīng)變位移圖可看出其載荷分布大致呈拋物線分布，符合文獻[9]中軸承載荷作用下軸承內(nèi)圈受力呈拋物線分布的相關(guān)描述。

2.5 仿真結(jié)果分析

為研究不同尺寸的軸承復(fù)合圈的應(yīng)力情況，仿真過程中共對10組不同尺寸的復(fù)合圈進行加載分析，從中選擇相同條件下承載能力最大的復(fù)合圈尺寸。對比結(jié)果如表1所示。對比10組數(shù)據(jù)，2,3組中a應(yīng)取滿足范圍中的較大值，3，4組數(shù)據(jù)在滿足f+h=7.5 mm條件上取h適當大些，最大應(yīng)力值會更小，而4，5，6組中b值對復(fù)合圈的應(yīng)力影響較大，滿足條件下b值應(yīng)取較大者，g值不宜取過大，b=6.5 mm左右為適宜。綜合考慮實際情況，軸承復(fù)合圈選擇第9組尺寸參數(shù)，復(fù)合圈所受最大應(yīng)力值不超過20.894 MPa，遠小于材料的屈服應(yīng)力值235 MPa，滿足設(shè)計要求。

表1 10組不同尺寸參數(shù)的復(fù)合圈最大應(yīng)力情況結(jié)果對比

3 復(fù)合圈強度驗證

組合軸承復(fù)合圈滿足自身強度要求并不表示它也能滿足組合軸承整體使用性能要求。由于設(shè)計組合軸承復(fù)合圈時并沒有考慮組合軸承整體承載情況，故有必要將組合軸承整體模型進行受載分析。

對組合軸承整體模型進行仿真分析過程中，將組合軸承整體模型材料參數(shù)設(shè)計為：楊氏模量E=2.1×1011Pa,泊松比γ=0.3。添加的載荷與上述添加在軸承復(fù)合圈上載荷相同，將約束添加在與井眼軌跡控制工具殼體接觸的軸承外圈上。整體模型仿真分析結(jié)果如圖7所示。

由組合軸承整體模型分析應(yīng)力云圖可以看出，整體模型的最大應(yīng)力值為278.61 MPa,最大應(yīng)力值在軸承內(nèi)外圈與滾子接觸的接觸點上，而軸承復(fù)合圈上所受最大應(yīng)力值小于50 MPa，該應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力值235 MPa，滿足組合軸承的強度要求。由此驗證了組合軸承復(fù)合圈尺寸設(shè)計滿足自身強度要求和組合軸承整體使用強度要求，為后續(xù)研究組合軸承使用性能、分析其工作游隙奠定了理論基礎(chǔ)。

圖7 整體模型應(yīng)力云圖

[1] 馮 定,袁詠心,李漢興,等. 井眼軌跡控制工具發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].石油機械,2011(03)：77-80.

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[責(zé)任編校： 張 眾]

Design and Simulation Analysis of Composite Ring of Combination Bearing

ZHU Liang, ZHANG Hong, XIANG Ru,GONG Pan, FENG Ding

(SchoolofMechanicalEngin.,YangtzeUniv.,Jingzhou434023，China)

To ensure the spindle can be bent while rotating in the high deflecting trajectory control tool, a kind of special combination bearing was adopted, which was assembled by a self-aligning roller bearings and two self-aligning thrust roller bearings. Before conducting simulation to study the performance of the combination bearings , it′s necessary to design a bearing composite ring. This paper analysed multiple sets of different sizes composite ring for simple optimization, to find the most suitable size of the composite ring which meets the carrying capacity. Finally a simulation experiment to the overall combination bearing model was conducted to verify that the composite ring can meet the strength requirements of itself and the performance requirements of overall combination bearing.

combination bearing; bearing composite ring; design ; simulation analysis

2014-07-15

2013年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(104892013024),2013國家自然科學(xué)基金項目(51275057)，

2013高等學(xué)校博士學(xué)科重點科研基金項目(20124220110003)

朱 亮(1991-)， 男， 湖北黃石人，長江大學(xué)本科生，研究方向為石油機械設(shè)備自動化研究與開發(fā)

張 紅(1982-)，女，山東青島人，長江大學(xué)講師，長江大學(xué)博士研究生，研究方向為石油裝備研究與開發(fā)

1003-4684(2015)01-0073-04

TE921

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