Φ73 mm渦輪鉆具四支點(diǎn)推力球軸承鍍膜后性能測試研究*

徐鋮洋，辛永安，劉家煒，呂維平，段晨偉，張 強(qiáng)

（1.長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，武漢 430024）

0 前 言

近年來，隨著油氣勘探開發(fā)向高溫地?zé)徙@探、深井和超深井油氣鉆探、非常規(guī)油氣鉆探等領(lǐng)域深入，在鉆探過程中遇到的復(fù)雜地層也越來越多[1]。

對于一些復(fù)雜的高溫深井、超深井，使用螺桿鉆具無法完成鉆井作業(yè)，隨著高效PDC 鉆頭和連續(xù)管鉆井等與渦輪鉆具配套的新型鉆井技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加之渦輪鉆具與螺桿鉆具相比具有轉(zhuǎn)速高、無橫向振動(dòng)和抗高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，使得渦輪鉆具在復(fù)雜地層鉆探中應(yīng)用越來越多[2]。除此之外，當(dāng)前微小井眼鉆井技術(shù)是一項(xiàng)高效、低成本、環(huán)保的鉆井前沿技術(shù)，其應(yīng)用前景非常廣闊，對于微小井眼鉆井如連續(xù)管鉆井，鉆壓受到限制，需要實(shí)現(xiàn)低鉆壓高效鉆進(jìn)，而渦輪鉆具可以通過提高鉆頭旋轉(zhuǎn)速度來提高傳遞到井底的能量，所以與螺桿鉆具相比，渦輪鉆具更適用于連續(xù)管作業(yè)。

渦輪鉆具由渦輪節(jié)和支承節(jié)兩部分組成。每個(gè)渦輪節(jié)有100多級(jí)定轉(zhuǎn)子，由泥漿驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。支承節(jié)主要由推力軸承、轉(zhuǎn)軸組成，渦輪節(jié)把力矩傳遞給支承節(jié)，支承節(jié)帶動(dòng)鉆頭突破巖層。支承節(jié)中的推力軸承在工作中承受較大的軸向載荷和一定的徑向載荷，是渦輪鉆具的核心部件之一，同時(shí)也是最薄弱的部件，一旦推力軸承失效就會(huì)導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生碰撞而磨損損壞，因此推力軸承的壽命決定了渦輪鉆具的壽命[3]。

研究表明，表面鍍膜技術(shù)能夠延長軸承壽命，提升軸承耐磨性和耐疲勞性，是提高軸承性能的有效手段，已經(jīng)開始被應(yīng)用于軸承、齒輪、航天發(fā)動(dòng)機(jī)軸承等領(lǐng)域[4-5]。但目前將表面鍍膜技術(shù)應(yīng)用于渦輪鉆具止推軸承中的研究較少，為研究表面鍍膜技術(shù)對渦輪鉆具止推軸承性能的提升效果，現(xiàn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。在表面鍍膜技術(shù)中金剛石是應(yīng)用最廣泛的一種鍍膜材料，具有硬度高、摩擦系數(shù)低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)良特性，本試驗(yàn)選取金剛石材料對渦輪鉆具推力軸承進(jìn)行鍍膜，開展軸承性能試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 軸承選擇

試驗(yàn)軸承采用的是Φ73 mm 渦輪鉆具的四支點(diǎn)推力球軸承，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，四支點(diǎn)推力球軸承屬于軸徑向推力軸承，每單列軸承中滾珠被托在同時(shí)承受軸向力和徑向力的軸承座之間，同時(shí)起到止推軸承和徑向軸承的作用，滾珠被控制在內(nèi)外圈之間，在內(nèi)外圈4 個(gè)圓弧形滾刀槽中滾動(dòng)。四支點(diǎn)推力球軸承組通常有5～13 列，多列串聯(lián)組裝具有承受較大軸向負(fù)載的能力[6-7]。

圖1 渦輪鉆具四支點(diǎn)推力球軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 軸承參數(shù)

取軸承外徑D=60 mm，內(nèi)徑d=32 mm，節(jié)圓直徑Dpw= 47 mm，鋼球直徑Dw=7.938 mm，接觸角α=50°鋼球數(shù)Z的計(jì)算方法為

計(jì)算得出Z=18顆。

試驗(yàn)軸承的參數(shù)見表1，鍍膜主要參數(shù)見表2。

表1 軸承基本參數(shù)

表2 軸承鍍膜參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

為本試驗(yàn)特別設(shè)計(jì)了對應(yīng)的軸承試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)軸承的外圈由軸承座與軸承外圈壓環(huán)固定，軸承內(nèi)圈則由中心桿與軸承內(nèi)圈擋圈固定在中心桿上，試驗(yàn)時(shí)軸承外圈靜止，內(nèi)圈跟隨中心桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，中心桿外接50型立式鉆床主軸，鉆床主軸采用電子測力計(jì)和轉(zhuǎn)速儀標(biāo)定軸向力和轉(zhuǎn)速的大小，軸承外圈壓帽上部注入冷卻液，在試驗(yàn)中給軸承潤滑并且降溫，同時(shí)可通過觀測冷卻液顏色的變化判斷軸承的磨損程度。

圖2 軸承試驗(yàn)裝置示意圖

1.4 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)屬于驗(yàn)證性、對比性試驗(yàn)，給Φ73 mm渦輪鉆具設(shè)定額定軸向力和額定轉(zhuǎn)速，研究金剛石鍍膜對軸承壽命的影響，分別測試鋼軸承座+鋼球和金剛石鍍膜軸承座+鋼球兩種方案在轉(zhuǎn)向力為1 820 N 且轉(zhuǎn)速、載荷相同情況下的使用壽命。試驗(yàn)的具體實(shí)施參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)實(shí)施參數(shù)

試驗(yàn)的具體實(shí)施方案：①兩種方案使用的材料不同，轉(zhuǎn)速、軸承潤滑、軸向力需保持一致，轉(zhuǎn)速調(diào)至1 800 r/min，軸向力調(diào)至1 820 N，記錄轉(zhuǎn)速、軸向力和時(shí)間；②每30 min測量鉆床溫度和主軸轉(zhuǎn)速，視情況給鉆床降溫，鉆床停轉(zhuǎn)時(shí)停止試驗(yàn)計(jì)時(shí)；③每8 h 測量一次軸向高度；④從達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速（1 800 r/min）、鉆壓（1 820 N），開始計(jì)時(shí)，每8 h測量一次軸向高度，200 h卸下試驗(yàn)軸承，測量滾動(dòng)體（球）的直徑；⑤若發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)、異常響聲則拆下試驗(yàn)軸承檢查，測量滾動(dòng)體（球）的直徑。

1.5 試驗(yàn)過程

（1）準(zhǔn)備試驗(yàn)工具、測量器具；

（2）鉆床主軸連接電子測力計(jì)，在手輪加力桿（加長桿）掛配重塊，調(diào)整力臂使鉆床主軸產(chǎn)生500 N、1 000 N、1 500 N、1 820 N（185.7 kg）的向下作用力，并分別在加長桿掛配重位置做標(biāo)記；

（3）用千分表（尺）測量原始鋼球直徑并記錄；

（4）組裝軸承試驗(yàn)裝置，裝入1列軸承。軸承外圈螺紋上緊扭矩160 N·m；軸承內(nèi)圈螺紋上緊扭矩90 N·m；

（5）調(diào)整鉆床主軸與軸承試驗(yàn)裝置中心軸同軸：將莫氏夾頭與軸承中心桿上端連接并夾緊，上提鉆床主軸低速(＜100 r/min)試運(yùn)轉(zhuǎn)，下放至試驗(yàn)裝置解除固定平臺(tái)，壓板壓緊并固定；

（6）連接冷卻水循環(huán)回路。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)在鉆壓1 820 N、轉(zhuǎn)速1 800 r/min 條件下進(jìn)行，兩組試驗(yàn)方案的總體軸向高度隨運(yùn)行時(shí)間的變化擬合曲線如圖3 所示，由于軸向高度的變化過于微小，測量存在一定的誤差，但不影響軸向高度的總體變化趨勢，隨著時(shí)間的延長，軸向高度均下降，軸向高度可以側(cè)面描述軸承座圈和鋼球的磨損情況，軸向高度下降得越快說明軸承磨損越嚴(yán)重。同時(shí)觀測兩種方案運(yùn)行的時(shí)間可以看出，鋼制軸承座+鋼球的原始搭配運(yùn)行了試驗(yàn)方案擬定的200 h，而金剛石鍍膜軸承座+鋼球搭配方案運(yùn)轉(zhuǎn)至60 h 左右出現(xiàn)了異常狀態(tài)導(dǎo)致試驗(yàn)中斷。

圖3 軸承軸向高度變化圖

2.1 鋼制軸承座+鋼球

軸承運(yùn)轉(zhuǎn)至試驗(yàn)方案擬定的200 h 未出現(xiàn)較大異常，在運(yùn)行后期噪聲增大、振動(dòng)增大，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，軸承座出現(xiàn)磨損且產(chǎn)生部分麻點(diǎn)，說明軸承座產(chǎn)生了一定的疲勞磨損，大部分鋼球表面光澤度明顯下降，部分鋼球出現(xiàn)表面環(huán)槽，軸承磨損形貌如圖4所示。

圖4 鋼制軸承座+鋼球試驗(yàn)后磨損形貌

試驗(yàn)后，對軸承的18 顆鋼球尺寸進(jìn)行多次測量并從中取最小直徑繪制點(diǎn)線圖，如圖5 所示，圖中上方的虛線代表軸承磨損前的標(biāo)準(zhǔn)直徑，x軸為18 顆鋼球的編號(hào)，y軸為鋼球磨損后的最小直徑，共18 條點(diǎn)線。每條點(diǎn)線代表一顆鋼球，通過與磨損前的標(biāo)準(zhǔn)直徑進(jìn)行對比，可直觀地看出每顆鋼球磨損后的最小直徑和磨損程度，每條點(diǎn)線的點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)直徑線的距離越大說明磨損量越大。通過圖5可以看出，大部分鋼球都出現(xiàn)了磨損，鋼球直徑減小，部分鋼球出現(xiàn)環(huán)槽，其中4顆鋼球磨損較為嚴(yán)重，且部分鋼球表面出現(xiàn)裂紋，預(yù)計(jì)不久會(huì)發(fā)生疲勞剝落。

圖5 鋼制軸承座+鋼球試驗(yàn)后鋼球最小直徑

2.2 金剛石鍍膜軸承座+鋼球

試驗(yàn)時(shí)，軸承在規(guī)定鉆壓、轉(zhuǎn)速下運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲相對較小，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，運(yùn)行噪聲加大，在運(yùn)行至70 h 左右時(shí)觀測到較大異常噪聲，聲音發(fā)澀，軸承尚未失效但出現(xiàn)異常情況便立即停止試驗(yàn)，將軸承拆卸并進(jìn)行檢查。對軸承座圈進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍍膜已出現(xiàn)明顯脫落，鍍膜的脫落主要發(fā)生在軸承內(nèi)外圈的接觸軌跡上，如圖6（a）所示，圖中顏色較淺部位即為金剛石鍍膜脫落區(qū)域。同時(shí)還觀察到冷卻水在試驗(yàn)過程中由乳白色逐漸變灰，過濾裝置發(fā)現(xiàn)較小的黑色顆粒狀物質(zhì)，可以得出是軸承座圈金剛石鍍層脫落導(dǎo)致。觀察軸承鋼球可看出，鋼球光澤度下降，均出現(xiàn)了一定磨損。對18 顆鋼球尺寸進(jìn)行詳細(xì)測量并繪制出磨損后鋼球最小直徑分布圖，如圖7 所示，從圖7可以看出，鋼球磨損較為均勻，磨損后的鋼球直徑為7.85～7.90 mm。

圖6 金剛石鍍膜軸承座+鋼球試驗(yàn)后磨損形貌

圖7 金剛石鍍膜軸承座+鋼球試驗(yàn)后鋼球最小直徑

由圖3 軸承的軸向高度變化可以看出，相比未鍍膜的鋼制軸承座+鋼球方案，金剛石鍍膜軸承座+鋼球方案在前50 h 運(yùn)行更穩(wěn)定，軸向高度下降的更慢，說明在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的磨損較小，軸承鍍膜方案的確可以提升運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和耐磨性，同時(shí)降低疲勞的效果，但是隨著軸承運(yùn)行時(shí)間的延長，金剛石鍍膜軸承的軸向高度加速下降，噪聲增大，說明磨損增大，隨后產(chǎn)生異常噪聲而導(dǎo)致試驗(yàn)中斷，盡管軸承尚未失效但通過軸向高度的下降趨勢且產(chǎn)生異常噪聲可以判斷金剛石鍍膜后軸承總體壽命不如未鍍膜時(shí)的軸承。

試驗(yàn)后金剛石鍍膜軸承座鋼球的直徑變化與圖5 對比可以看出，鍍膜后的軸承鋼球直徑均出現(xiàn)下降，說明發(fā)生了磨損且各鋼球的磨損程度接近，不同于未鍍膜軸承鋼球出現(xiàn)的個(gè)別磨損較大而個(gè)別磨損較小，軸承座鍍膜軸承鋼球在試驗(yàn)中斷時(shí)磨損程度均勻且總體磨損較小，說明軸承壽命的縮短并非是鍍膜軸承的鋼球?qū)е碌?，加之軸承座金剛石鍍層大量脫落，金剛石鍍層的脫落會(huì)產(chǎn)生顆粒改變軸承內(nèi)部的環(huán)境，因此推測鍍膜方案的主要失效形式不同于未鍍膜軸承方案的疲勞磨損、疲勞剝落，而是軸承座鍍層的脫落不僅會(huì)使軸承失去鍍膜帶來的性能提升，而且鍍層磨損會(huì)使磨損產(chǎn)生的金剛石顆粒進(jìn)入工作面，產(chǎn)生磨料磨損，導(dǎo)致軸承內(nèi)部，運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，加快軸承失效。

賈貴西、李言等[8-9]用光發(fā)射譜給軸承鍍膜且控制鍍層復(fù)合工作層的成分為w（C）=28.0%，w（Cr）=64%，w（N）=7.84%，在試驗(yàn)完成后分別使用JSM—6700F 型掃描電子顯微鏡和X 射線能譜儀觀察鍍層的表面形貌，同時(shí)對表層元素進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖8 所示。圖8（b）證明了未鍍膜軸承的主要失效形式為疲勞剝落失效，由圖8（a）可見復(fù)合鍍層幾乎全部磨損，且圖8（c）選區(qū)元素含量表明，表面元素主要為Fe 元素，此外還有Cr 和C 元素，此時(shí)的元素含量與試驗(yàn)前的復(fù)合鍍層元素含量不同，因此驗(yàn)證了鍍膜軸承的主要失效形式為鍍層的脫落。

圖8 軸承失效形貌及表層元素分析

鍍膜軸承鍍層的磨損脫落機(jī)理較為復(fù)雜，本試驗(yàn)為驗(yàn)證性試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)成本等問題，暫未進(jìn)行更多試驗(yàn)探究鍍層磨損相關(guān)機(jī)理，調(diào)研相關(guān)研究表明具有兩種可能原因: ①由于鍍膜材料的膜-基結(jié)合力不夠，導(dǎo)致在工作過程中鍍層從膜-基結(jié)合面的剝離[10]；②由于鍍膜內(nèi)部存在微觀缺陷，如空隙、顆粒等，這些微觀缺陷部位易引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，在循環(huán)載荷的作用下裂紋向周圍擴(kuò)展，引起周圍鍍層的不斷變形，出現(xiàn)二次細(xì)小裂紋，裂紋擴(kuò)展并相互連結(jié)最終發(fā)生斷裂而導(dǎo)致鍍層脫落[11]。

3 結(jié) 論

（1）金剛石鍍膜軸承在本次試驗(yàn)中運(yùn)行70 h，其中前50 h 相比未鍍膜軸承運(yùn)轉(zhuǎn)更穩(wěn)定，軸向高度下降更慢，證明了金剛石材料的硬度高，摩擦系數(shù)低等特征，確實(shí)對軸承的耐磨性、抗疲勞性具有較大提升效果。

（2）在試驗(yàn)后20 h 軸承的軸向高度急速下降，噪聲增大，最后發(fā)出較大發(fā)澀噪聲迫使試驗(yàn)終止。通過試驗(yàn)后軸承座鍍層肉眼可見脫落，軸承冷卻液變色，未鍍膜軸承鋼球發(fā)生較大磨損，而鍍膜軸承中斷時(shí)鋼球磨損較小且直徑均勻等現(xiàn)象，說明鍍膜軸承后期磨損增大的原因?yàn)檩S承座上的金剛石鍍層脫落，大量金剛石顆粒進(jìn)入軸承內(nèi)部產(chǎn)生了磨粒磨損。

（3）此次對比試驗(yàn)表明，金剛石鍍膜的渦輪鉆具四支點(diǎn)推力球軸承相較原方案在運(yùn)行的前50 h 具有一定的性能提升，提高了軸承的穩(wěn)定性和耐磨性，但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長磨損逐漸加大，總體壽命反而從原方案的200 h 降低至70 h，說明該鍍膜方案的可靠性不足，使用風(fēng)險(xiǎn)較高，還需進(jìn)一步研究。