組合軸承三維模型的構建方法探討

朱 亮，張 紅，向 如，胡文根，馮 定

組合軸承三維模型的構建方法探討

朱 亮，張 紅，向 如，胡文根，馮 定

（長江大學機械工程學院，湖北荊州434023）①

在高造斜率井眼軌跡控制工具中，采用一組特殊的軸承組合形式。為進一步驗證其工作可靠性，在進行模擬仿真研究之前，需建立組合軸承的三維仿真模型。采用反饋調整方法，首先建立組合軸承初步模型，然后對其進行局部仿真分析設計，反饋調整模型游隙至合理范圍；最終建立組合軸承的精確仿真模型。為下一步全方位仿真研究奠定基礎。

組合軸承；三維模型；游隙；構建方法

在深井、超深井、大位移井和長距離水平井等特殊工藝井的開發中，旋轉導向工具在復雜油層具有很大的優勢。在鉆井作業時，導向工具在進行鉆進的同時還能對井身質量進行實時控制，而且不需要頻繁的起下鉆；使用導向工具鉆出的井眼軌跡與滑動鉆井相比具有更深、更遠、更平滑的特點。旋轉導向鉆井技術使原來利用滑動鉆井不能達到的復雜地層變成可能［1］。但在彎曲的井眼約束下，在高溫、高壓和高彎曲交變應力等惡劣工況下，其旋轉運動狀態十分復雜，鉆具失效問題尤為突出。這對工具的承載能力、強度以及安全、密封及潤滑性能提出了更高的要求。軸承作為導向工具的最主要旋轉支撐零部件之一，其工作壽命和可靠性是支撐工具正常工作的有力保障。因此，對旋轉導向工具的軸承進行設計和研究，保證正常鉆井有重要的意義。

筆者研制的高造斜率井眼軌跡控制工具是一種新型的、無極、可調的指向式旋轉導向鉆井工具。為了保證主軸在旋轉的同時可以彎曲，采用的是由一個調心滾子軸承和兩個推力調心軸承組成的特殊組合軸承方案。為了研究這種組合軸承在井眼軌跡控制工具中的使用情況，驗證其工作可靠性，采用三維模擬仿真方法圍繞軸承游隙展開研究，因此，利用仿真軟件對組合軸承進行運動分析之前精確的三維模型必不可少。本文將圍繞調心滾子軸承和推力調心滾子軸承模型的構建過程進行闡述，并闡明如何利用反饋調整法對模型進行修改，最終得到比較準確的組合軸承三維模型［2］。

1　模型構建思路

要確保組合軸承三維模型構建的準確性，最重要的是控制仿真模型游隙與軸承實物原始游隙的差值在合理的范圍內，在現有技術條件下有效的建模方法即是通過反饋調整方法控制軸承的游隙。

高造斜率井眼軌跡控制工具中的組合軸承是多個軸承和墊圈的組合結構，要保證組合軸承整體裝配模型的準確性，必須保證單個軸承模型各項參數和軸承墊圈參數的準確性。模型構建過程中，首先對組合軸承中各部件全面了解，根據所使用的軸承型號查閱相關技術資料，計算建立模型所需尺寸。然后根據計算尺寸建立模型，將所得模型尺寸與標準規定游隙值對比，利用反饋調整法對模型進行修改，確保模型的準確性，再利用軸承尺寸設計出軸承墊圈尺寸并建立墊圈模型［3-4］，最終建立一定尺寸關系的組合軸承裝配模型。整體建模的思路如圖1所示。

圖1　組合軸承三維模型的構建思路

2　模型構建

2．1 調心滾子軸承模型的構建

根據選用的調心滾子軸承型號21314，可以查得軸承內徑d；軸承寬度B；軸承大徑D；軸承內滾道通過軸心之間的距離d1；軸承外滾道通過軸心之間的距離De；內滾道之間沿徑向最小距離di；外滾道兩接觸點間的軸向距離G等參數，如圖2所示。

圖2　調心滾子軸承主要參數

由已知參數，運用經驗公式計算建模所需的其他幾何參數［5］。

1） 名義接觸角α。

2） 滾子運動中心圓直徑Dcp。

3） 滾子直徑（最大直徑）Dw。

式中：K，N為經驗系數。

4） 滾子直徑范圍。

5） 滾子數量Z。

6） 滾子長度L范圍。

7） 外圈最小壁厚he范圍。

根據上述公式計算結果初步建立調心滾子軸承模型，并根據經驗公式計算軸承的徑向游隙Gr和軸向游隙Ga［6］（如圖3所示）。

圖3　調心滾子軸承游隙

2．2 推力調心滾子軸承模型的構建

推力調心滾子軸承建模流程與調心軸承建模類似，根據選用的推力調心滾子軸承型號29317，可以查到座圈內徑d；座圈外徑D；軸承高度T；軸圈內徑d1；軸圈外徑D1；座圈滾道中心至軸圈基面距離A；座圈高度C等尺寸參數，如圖4所示。

圖4　推力調心滾子軸承主要參數

計算建模所需的相關尺寸，經驗公式如下［7］：

1） 推力調心滾子軸承接觸角α。

2） 座圈滾道球面半徑Re。

式中：h1＝Kk（D－d），0．06≤Kk≤0．07；d1＝2× ［Re－（A＋T－h1）／2］×0．5；d2＝D－kd（D－d），0．05≤kd≤0．064；

3） 滾子與座圈接觸處直徑Dwe。

4） 持架兜孔中心圓直徑Dwp。

5） 滾子數Z。

式中：1≤kz≤1．1。

6） 滾子最大直徑Dw。

式中：0．42≤kD≤0．47。

7） 座圈最小壁厚hc。

8） 軸圈最小厚度he。

保持軸承軸套與座圈的相對位置固定，改變與滾子的尺寸位置相關的經驗系數，逐步反饋驗算比對，直到軸承游隙位于標準規定的范圍之內。其計算公式為

圖5　推力調心滾子軸承游隙

2．3 兩類軸承游隙的驗證及模型調整

由建立的模型最終可以確定各軸承游隙數值，將模型游隙與國家標準規定游隙中CN組（可省略）游隙值進行比較，如果模型游隙不在標準規定值范圍內，則通過反饋調整法對模型進行修改，調整某個參數后，將所得的新模型游隙再與標準規定值對比，直到游隙位于標準規定范圍內。

反饋調整具體操作方法為：調心滾子軸承調整游隙時通過保持內外圈公稱尺寸不變，利用滾子長度范圍條件0．36B≤L≤0．4B，通過試取滿足條件的滾子長度L，結合標準及計算所得的游隙大小，同標準規定值相比較，直到所選取的滾子長度計算出的游隙位于標準規定值范圍內；推力調心滾子軸承模型調整則通過保持內外圈公稱尺寸不變，只改變滾子計算時的直徑系數kD（0．42≤kD≤0．47），從而改變滾子直徑到達調整模型游隙目的，直到軸承游隙位于標準規定范圍內。這樣只改變一個變量來調整軸承模型，可以減少改變多變量引起的計算復雜度，結果對比如表1所示。

表1　模型游隙與標準規定游隙比較μm

3　軸承墊圈模型的構建

軸承墊圈是根據實際工況自行設計的一個零件，它是組合軸承裝配體中關鍵零件之一，根據軸承與墊圈之間的配合關系，實際工作過程中，墊圈受載情況和軸承墊圈材料的物理性質有關，墊圈材質的彈性模量E＝2．1×1011Pa，泊松比γ＝0．3，密度為ρ＝7．85×103kg／m3，運用仿真分析軟件對不同尺寸軸承墊圈進行仿真分析，選取相同條件下承載能力最大的墊圈幾何尺寸［8］。

4　組合軸承三維模型的整體裝配

完成各部分模型建立后，根據各零件在組合軸承中相互的配合關系，利用計算機軟件裝配各部分零件，所得組合軸承裝配模型效果圖如圖6所示。

圖6　組合軸承三維仿真模型

5　結語

通過建立組合軸承的初步模型，對其進行局部仿真分析設計，反饋調整模型游隙至合理范圍，最終建立組合軸承的精確仿真模型，為下一步全方位仿真研究奠定基礎。

［1］ 馮定，袁詠心，李漢興，等．井眼軌跡控制工具發展現狀及趨勢［J］．石油機械，2011，39（3）：70-74．

［2］ 張海龍．調心滾子軸承結構設計與分析［J］．軸承，1992 （4）：24．

［3］ 盧金燕，盧金泉，劉凡．調心滾子軸承裝配方法的改進［M］．機械研究與應用，2009（5）：48-50．

［4］ 常洪．軸承裝配工藝［M］．鄭州：河南人民出版社，2006：208-218．

［5］ 楊咸啟．推力調心滾子軸承結構主參數設計［J］．軸承，1996（9）：2-5．

［6］ 蔡素然，徐古洛．推力調心滾子軸承優化設計結構改進［J］．軸承，1998（4）：5-7．

［7］ 蔡素然，徐古洛．推力調心滾子軸承優化設計結構改進［J］．軸承，1998（4）：5-7

［8］ 趙振華，王凡，楊成水，等．基于Matlab／UG的短幅內擺線馬達定轉子建模及運動仿真［J］．石油礦場機械，2013，42（9）：27-31．

Discussion of Constructionmethod to Three-dimensionalmodel of Com bined Bearings

ZHU Liang，ZHANG Hong，XIAN G Ru，HUWengen，FENG Ding
（School ofmechanical Engineering，Yangtze Uniuersity，Jingzhou434023，China ）

In the high deflecting trajectory control tool prototype，a kind of special combination bearings were adopted，w hose reliability was not know n．Prior to a comprehensive sim ulation study to verify its reliability，a precise threedimensionalmodel of the combination bearingsis needed．Firstly，based on the calculated parameters，a crude bearingmodel was built，a feedbackmethod is adopted tomodify themodelto obtain its proper clearance during this process．An ultimately an accurate threedimensional combination bearingsmodel is built，lay a foundation for the next study based on the overallmodel．

combination bearings；threedimensionalmodel；clearance；constructionmethod

TE927

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．010

10013482（2015）03004404

①2014-09-29

國家自然科學基金“高造斜率井眼軌跡控制工具主軸井下力學行為分析”（51275057）；省級大學生創新創業訓練項目“組合軸承的裝配過程及仿真分析”（104892013024）；高等學校博士學科重點科研基金“高造斜率井眼軌跡控制工具主軸井下力學行為分析”（20124220110003）和2014石油天然氣裝備教育部重點實驗室開放基金“井眼軌跡控制工具的高造斜率實現機理研究”（OG-E201403-01）聯合資助

朱 亮（1991-），男，湖北黃石人，主要從事井下工具的仿真研究工作，Email：zhuliangfv＠126．com。