礦用三牙輪鉆頭浮動(dòng)套磨損仿真分析與驗(yàn)證

雷 鳴，彭 芳，孔祥睿，程 永，李 寧，榮 華，李衛(wèi)國(guó),4

1蘇州大學(xué)文正學(xué)院 江蘇蘇州 215104

2蘇州新銳合金工具股份有限公司 江蘇蘇州 215121

3蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇蘇州 215104

4蘇州大學(xué) 江蘇蘇州 215006

牙輪鉆頭是鉆井領(lǐng)域中最重要的破巖工具之一，也是石油鉆探的主要工具，露天鐵礦、煤礦及有色金屬礦開采的重要工具。它的壽命直接影響鉆井的效率和成本。浮動(dòng)軸承是牙輪鉆頭的關(guān)鍵部件，而浮動(dòng)套又是浮動(dòng)軸承的核心部件，在牙輪軸承和牙掌軸承之間處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是軸承內(nèi)部是最容易磨損的部件。浮動(dòng)軸承的壽命幾乎直接決定了牙輪鉆頭的使用壽命。

提高現(xiàn)有礦用牙輪鉆頭浮動(dòng)軸承的工作性能，延長(zhǎng)其在冷卻條件極差的穿孔作業(yè)工況下的使用壽命，是目前礦山穿孔領(lǐng)域迫切需要解決的問題之一。浮動(dòng)軸承采用 2 套滑動(dòng)軸承副，有效地解決了這一問題。隨著礦用密封鉆頭技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外已開始將浮動(dòng)軸承應(yīng)用在鉆頭上，且效果不錯(cuò)。開展帶浮動(dòng)軸承的礦用牙輪鉆頭的開發(fā)，對(duì)提升鉆頭性能和技術(shù)儲(chǔ)備意義重大。礦用三牙輪鉆頭的外觀如圖 1 所示。

圖1 礦用三牙輪鉆頭外觀Fig.1 Appearance of mine-used three-cone bit

牙輪鉆頭的滑動(dòng)軸承失效原因在于：滑動(dòng)軸承局部壓力過大，溫度過高，導(dǎo)致磨損或者出現(xiàn)膠合[1]。牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的軸頸部位承受主要徑向載荷，因此在大軸頸部位設(shè)計(jì)浮動(dòng)套[2-3]。在牙輪鉆頭工作過程中，浮動(dòng)套的工作狀態(tài)可能在隨時(shí)變化，動(dòng)態(tài)受力情況復(fù)雜，因此筆者采用靜態(tài)分析法在最大鉆桿壓力工況下分析浮動(dòng)套[1,4]。

1 浮動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)

牙輪鉆頭在工作過程中與地質(zhì)巖石直接接觸，摩擦力大，浮動(dòng)軸承的良好性能是保證牙輪鉆頭使用壽命的必要條件。浮動(dòng)軸承的主要部件有牙輪軸承、牙掌軸承、浮動(dòng)片、滾球、浮動(dòng)套和密封墊片等，如圖2 所示。其中浮動(dòng)套位于牙輪軸承和牙掌軸承之間，是影響浮動(dòng)軸承壽命的核心部件。

圖2 浮動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural sketch of floating bearing

2 理論力學(xué)分析

實(shí)際工況如下：鉆桿轉(zhuǎn)速為 75 r/min，外徑為178 mm，內(nèi)徑為 96 mm；牙輪中心線與鉆桿中心線之間夾角為 54°；鉆桿施加的壓力為 350～ 480 kN。鉆桿壓力分配到 3 個(gè)牙輪上，壓力越大，浮動(dòng)套所受摩擦力越大。按照最大鉆桿壓力工況，單牙輪所受的壓力為 480 kN/3=160 kN。利用理論力學(xué)知識(shí)對(duì)單牙輪進(jìn)行受力分析，如圖 3 所示。

圖3 單牙輪受力分析Fig.3 Force analysis on single cone

在如圖 3 所示的xy坐標(biāo)系中，對(duì)單牙輪所受的壓力進(jìn)行受力分解得：

Fx為對(duì)壓掌軸承的正壓力，壓力越大，摩擦力就越大。

牙輪鉆頭浮動(dòng)軸承局部失效準(zhǔn)則[5]為

式中：f為 2 個(gè)接觸零件表面的摩擦因數(shù)；p為接觸壓力；v為 2 個(gè)接觸零件相對(duì)滑動(dòng)的速度；[f pv]為在特定溫度下浮動(dòng)軸承的 2 個(gè)接觸面材料的許用值。

從失效準(zhǔn)則中可以看出，浮動(dòng)套磨損與摩擦因數(shù)、接觸壓力以及相對(duì)滑動(dòng)速度有關(guān)。只要減小摩擦因數(shù)或者接觸壓力，就可以降低浮動(dòng)軸承的摩擦力。減小摩擦因數(shù)有 2 種方法，采用摩擦因數(shù)較小的材料或者讓浮動(dòng)套處于懸浮狀態(tài)，這 2 種方法均可有效降低浮動(dòng)套的摩擦力。本案例中的浮動(dòng)套材料為鈹青銅[6-7]，其摩擦因數(shù)較小。牙輪鉆頭在運(yùn)行過程中，在液壓力的作用下，浮動(dòng)套與牙輪軸承內(nèi)表面有一定外間隙，處于懸浮狀態(tài)，摩擦力較小；浮動(dòng)套還可以降低牙輪軸承與牙掌軸承之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速。這就意味著f和v均較小，因此降低接觸壓力p就可以減少f pv值，即降低浮動(dòng)軸承的局部磨損。浮動(dòng)套的內(nèi)外間隙比是影響浮動(dòng)套懸浮效果的一個(gè)重要指標(biāo)。

3 三維建模和有限元分析

為探究浮動(dòng)套最易損壞位置和最大變形位置，以及浮動(dòng)套內(nèi)外間隙比的最優(yōu)范圍，筆者對(duì)模型進(jìn)行了有限元仿真分析[8]，并與在實(shí)際工況下的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與浮動(dòng)套工作后實(shí)際摩損位置相符。浮動(dòng)套在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，最易損壞位置為邊緣處，最大變形位置為開口處。

考慮到多齒鉆頭曲面的復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，筆者采用 SolidWorks 建立了帶浮動(dòng)軸承的 97/8型礦用三牙輪鉆頭整體三維模型和單牙輪三維模型，如圖 4 所示。浮動(dòng)軸承三維模型如圖 5 所示，浮動(dòng)套三維模型如圖 6 所示。

圖4 三牙輪鉆頭三維模型Fig.4 3D model of three-cone bit

牙輪軸承和牙掌軸承材質(zhì)采用 15CrNiMo，是美國(guó)牌號(hào)為 EX30 鋼的國(guó)產(chǎn)化品牌，其屈服強(qiáng)度為 750 MPa，抗拉強(qiáng)度為 920 MPa；浮動(dòng)套材質(zhì)采用鈹青銅 CDA (UNS) ALLOY C96900，其屈服強(qiáng)度為 1 000 MPa，抗拉強(qiáng)度為 1 250 MPa；密封圈材質(zhì)采用氫化丁腈橡膠。在軟件中根據(jù)牌號(hào)為各部件選用對(duì)應(yīng)的材料。對(duì)于應(yīng)力邊界條件[9-10]，考慮到多牙輪多齒鉆頭曲面的復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，筆者按照最大鉆桿壓力工況，對(duì)單牙輪模型進(jìn)行分析，建立鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)的三維坐標(biāo)系。

圖5 浮動(dòng)軸承三維模型Fig.5 3D model of floating bearing

圖6 浮動(dòng)套三維模型Fig.6 3D model of floating sleeve

下一步定義約束[11-13]。浮動(dòng)套與牙輪軸承內(nèi)表面定義為摩擦約束，浮動(dòng)套與牙掌軸承外表面也定義為摩擦約束。為了探究浮動(dòng)套最易損壞位置和最大變形位置，浮動(dòng)套內(nèi)外摩擦因數(shù)均取 0.2。在鉆桿豎直向下的方向上施加 160 kN 的力，固定牙輪的牙齒，在剛建立的坐標(biāo)系中施加鉆桿轉(zhuǎn)速 75 r/min，整體約束施加情況如圖 7 所示。

圖7 約束施加情況Fig.7 Applied constraint status

浮動(dòng)軸承等效應(yīng)力云圖如圖 8 所示，最大等效應(yīng)力為 263.7 MPa，小于材料的屈服極限 1 140 MPa，從靜態(tài)分析結(jié)果來看，軸承處于安全狀態(tài)。仿真結(jié)果顯示，浮動(dòng)套在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在其邊緣處，此處即為最易損壞位置。浮動(dòng)套最大、最小應(yīng)力及其所在位置如圖 9 所示。

圖8 浮動(dòng)軸承等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress contours of floating bearing

圖9 浮動(dòng)套最大和最小應(yīng)力位置Fig.9 Maximum and minimum stress positions of floating sleeve

浮動(dòng)套摩擦力云圖如圖 10 所示。由圖 10 可見，浮動(dòng)套最大摩擦力出現(xiàn)在邊緣處。浮動(dòng)套試驗(yàn)樣品在實(shí)際工況下運(yùn)行一段時(shí)間后，邊緣處出現(xiàn)絲狀損壞情況，與仿真結(jié)果相符，如圖 11 所示。

浮動(dòng)套變形云圖如圖 12 所示。由圖 12 可見，浮動(dòng)套最大變形位置為開口處。浮動(dòng)套試驗(yàn)樣品在實(shí)際工況下運(yùn)行一段時(shí)間后，開口閉合，如圖 13 所示，與仿真結(jié)果相符。

圖10 浮動(dòng)套摩擦力云圖Fig.10 Friction contours of floating sleeve

圖11 浮動(dòng)套試驗(yàn)樣品邊緣處出現(xiàn)絲狀損壞Fig.11 Fibred damage on edge of floating sleeve test sample

圖12 浮動(dòng)套變形云圖Fig.12 Deformation contours of floating sleeve

圖13 浮動(dòng)套試驗(yàn)樣品開口處閉合Fig.13 Closure of openings of floating sleeve test sample

4 結(jié)論

(1) 仿真結(jié)果顯示，浮動(dòng)套在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，最易損壞位置為邊緣處，試驗(yàn)結(jié)果也顯示浮動(dòng)套邊緣處出現(xiàn)絲狀損壞現(xiàn)象，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符；

(2) 仿真結(jié)果顯示，浮動(dòng)套最大變形位置為開口處，解剖運(yùn)行一段時(shí)間后的試驗(yàn)樣品，發(fā)現(xiàn)開口處變形嚴(yán)重，出現(xiàn)了閉合情況，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符；

(3) 對(duì)仿真模型進(jìn)行了理論力學(xué)分析，仿真模型的正確建立為下一步帶浮動(dòng)軸承的礦用三牙輪鉆頭的研發(fā)和浮動(dòng)套內(nèi)外間隙比的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。