礦用三牙輪鉆頭浮動套磨損仿真分析與驗證

雷 鳴，彭 芳，孔祥睿，程 永，李 寧，榮 華，李衛國,4

1蘇州大學文正學院 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蘇州建設交通高等職業技術學校 江蘇蘇州 215104

4蘇州大學 江蘇蘇州 215006

牙輪鉆頭是鉆井領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。浮動軸承是牙輪鉆頭的關鍵部件，而浮動套又是浮動軸承的核心部件，在牙輪軸承和牙掌軸承之間處于相對運動狀態，是軸承內部是最容易磨損的部件。浮動軸承的壽命幾乎直接決定了牙輪鉆頭的使用壽命。

提高現有礦用牙輪鉆頭浮動軸承的工作性能，延長其在冷卻條件極差的穿孔作業工況下的使用壽命，是目前礦山穿孔領域迫切需要解決的問題之一。浮動軸承采用 2 套滑動軸承副，有效地解決了這一問題。隨著礦用密封鉆頭技術的發展，國外已開始將浮動軸承應用在鉆頭上，且效果不錯。開展帶浮動軸承的礦用牙輪鉆頭的開發，對提升鉆頭性能和技術儲備意義重大。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

牙輪鉆頭的滑動軸承失效原因在于：滑動軸承局部壓力過大，溫度過高，導致磨損或者出現膠合[1]。牙輪鉆頭滑動軸承的軸頸部位承受主要徑向載荷，因此在大軸頸部位設計浮動套[2-3]。在牙輪鉆頭工作過程中，浮動套的工作狀態可能在隨時變化，動態受力情況復雜，因此筆者采用靜態分析法在最大鉆桿壓力工況下分析浮動套[1,4]。

1 浮動軸承結構

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

圖2 浮動軸承結構示意Fig.2 Structural sketch of floating bearing

2 理論力學分析

實際工況如下：鉆桿轉速為 75 r/min，外徑為178 mm，內徑為 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 個牙輪上，壓力越大，浮動套所受摩擦力越大。按照最大鉆桿壓力工況，單牙輪所受的壓力為 480 kN/3=160 kN。利用理論力學知識對單牙輪進行受力分析，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坐標系中，對單牙輪所受的壓力進行受力分解得：

Fx為對壓掌軸承的正壓力，壓力越大，摩擦力就越大。

牙輪鉆頭浮動軸承局部失效準則[5]為

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

從失效準則中可以看出，浮動套磨損與摩擦因數、接觸壓力以及相對滑動速度有關。只要減小摩擦因數或者接觸壓力，就可以降低浮動軸承的摩擦力。減小摩擦因數有 2 種方法，采用摩擦因數較小的材料或者讓浮動套處于懸浮狀態，這 2 種方法均可有效降低浮動套的摩擦力。本案例中的浮動套材料為鈹青銅[6-7]，其摩擦因數較小。牙輪鉆頭在運行過程中，在液壓力的作用下，浮動套與牙輪軸承內表面有一定外間隙，處于懸浮狀態，摩擦力較小；浮動套還可以降低牙輪軸承與牙掌軸承之間的相對轉速。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，即降低浮動軸承的局部磨損。浮動套的內外間隙比是影響浮動套懸浮效果的一個重要指標。

3 三維建模和有限元分析

為探究浮動套最易損壞位置和最大變形位置，以及浮動套內外間隙比的最優范圍，筆者對模型進行了有限元仿真分析[8]，并與在實際工況下的運行結果進行對比。結果表明，仿真結果與浮動套工作后實際摩損位置相符。浮動套在運轉過程中，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雜性和計算機的計算能力，筆者采用 SolidWorks 建立了帶浮動軸承的 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。浮動軸承三維模型如圖 5 所示，浮動套三維模型如圖 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采用 15CrNiMo，是美國牌號為 EX30 鋼的國產化品牌，其屈服強度為 750 MPa，抗拉強度為 920 MPa；浮動套材質采用鈹青銅 CDA (UNS) ALLOY C96900，其屈服強度為 1 000 MPa，抗拉強度為 1 250 MPa；密封圈材質采用氫化丁腈橡膠。在軟件中根據牌號為各部件選用對應的材料。對于應力邊界條件[9-10]，考慮到多牙輪多齒鉆頭曲面的復雜性和計算機的計算能力，筆者按照最大鉆桿壓力工況，對單牙輪模型進行分析，建立鉆桿轉動的三維坐標系。

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

圖6 浮動套三維模型Fig.6 3D model of floating sleeve

下一步定義約束[11-13]。浮動套與牙輪軸承內表面定義為摩擦約束，浮動套與牙掌軸承外表面也定義為摩擦約束。為了探究浮動套最易損壞位置和最大變形位置，浮動套內外摩擦因數均取 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，在剛建立的坐標系中施加鉆桿轉速 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

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

圖8 浮動軸承等效應力云圖Fig.8 Equivalent stress contours of floating bearing

圖9 浮動套最大和最小應力位置Fig.9 Maximum and minimum stress positions of floating sleeve

浮動套摩擦力云圖如圖 10 所示。由圖 10 可見，浮動套最大摩擦力出現在邊緣處。浮動套試驗樣品在實際工況下運行一段時間后，邊緣處出現絲狀損壞情況，與仿真結果相符，如圖 11 所示。

浮動套變形云圖如圖 12 所示。由圖 12 可見，浮動套最大變形位置為開口處。浮動套試驗樣品在實際工況下運行一段時間后，開口閉合，如圖 13 所示，與仿真結果相符。

圖10 浮動套摩擦力云圖Fig.10 Friction contours of floating sleeve

圖11 浮動套試驗樣品邊緣處出現絲狀損壞Fig.11 Fibred damage on edge of floating sleeve test sample

圖12 浮動套變形云圖Fig.12 Deformation contours of floating sleeve

圖13 浮動套試驗樣品開口處閉合Fig.13 Closure of openings of floating sleeve test sample

4 結論

(1) 仿真結果顯示，浮動套在運轉過程中，最易損壞位置為邊緣處，試驗結果也顯示浮動套邊緣處出現絲狀損壞現象，仿真結果與試驗結果相符；

(2) 仿真結果顯示，浮動套最大變形位置為開口處，解剖運行一段時間后的試驗樣品，發現開口處變形嚴重，出現了閉合情況，仿真結果與試驗結果相符；

(3) 對仿真模型進行了理論力學分析，仿真模型的正確建立為下一步帶浮動軸承的礦用三牙輪鉆頭的研發和浮動套內外間隙比的優化設計提供了參考。