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牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究

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牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究

发布日期:2018-04-08 10:56 点击: 来源:

如何提高现有牙轮钻头轴承的工作性能,延长其在高转速下的使用寿命,是目前钻井工程领域迫切需要解决的问题之一。

通过对牙轮钻头轴承主要失效形式和原因的分析,找到了延长牙轮钻头轴承使用寿命的理论依据。以流变学、摩擦学及流体动力润滑理论为基础,将理论研究与单元实验相结合,开展了牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究。在一定假设的基础上,推导了适用于牙轮钻头滑动轴承工况条件的Reynolds方程,并首次将粗糙表面的润滑理论应用到牙轮钻头轴承的研究中,建立了动载荷下牙轮钻头浮动套轴承热流体动力润滑分析的数学模型,完成了牙轮钻头浮动套轴承工作性能仿真软件的研制,并通过实验对数学模型和仿真软件进行了验证。为开展高速牙轮钻头轴承系统工作机理的研究,改进现有牙轮钻头轴承的结构,进一步提高我国牙轮钻头的综合性能提供了新的理论和方法。

牙轮钻头浮动套轴承


主要研究成果如下:(1)在不同温度和不同剪切速率条件下,完成了牙轮钻头专用润滑脂的流变性实验。并以此为基础建立了该润滑脂的流变模型,得到了其名义粘度随温度和剪切速率的变化规律,找到了该润滑脂适用的最佳工况,为牙轮钻头轴承润滑参数的计算提供了实验依据;

            (2)对现场失效牙轮钻头轴承的表面进行了金相分析和硬度测试,发现钻头在工作过程中温度的升高使得轴承表面金相组织发生改变,导致抗磨性能减弱,使轴承磨损速度加快,找到了牙轮钻头轴承在高转速下快速失效的根本原因; 

            (3)系统分析了稳定载荷下浮动套轴承结构参数与其内外偏心率、转速比、摩擦系数和承载能力等参数之间的变化关系。发现在轴承半径和长度一定时,浮动套内外间隙值是直接影响其工作性能的关键因素,并找到了各参数之间相互影响的变化规律,为牙轮钻头浮动套轴承单元实验试件的设计和实验方案的拟订提供了理论依据;

            (4)在一定假设条件下,推导了适用于牙轮钻头轴承润滑工况的Reynolds方程。并将粗糙表面的润滑理论应用到牙轮钻头轴承的研究中,以基于平均流量模型的粗糙表面部分润滑状态Reynolds方程和能量方程为基础,建立了动载荷下粗糙表面牙轮钻头浮动套轴承热流体动力润滑的数学模型,并进行了求解,为开展牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究奠定了理论基础;

            (5)完成了牙轮钻头浮动套轴承工作性能仿真软件的研制,并在不同工况条件下,对8 1/2”牙轮钻头不同结构参数的浮动套轴承工作性能进行了仿真研究。得到了在一定间隙配合下,牙轮钻头浮动套轴承润滑膜压力、扭矩、温度及摩擦系数随牙轮转速和径向载荷的变化规律,为给定工况下牙轮钻头浮动套轴承的设计与优化提供了 摘要 理论依据和技术手段; 

            (6)完成了81/2’,牙轮钻头浮动套轴承的单元实验研究。得到了不同工况以及 不同间隙配合下牙轮钻头浮动套轴承的扭矩、温度、浮动套转速以及磨损量和磨损速 度等数据,实验结果进一步验证了所建立数学模型和仿真软件的正确性。实验中发现, 浮动套可以取代原牙轮钻头轴承中合金槽的作用,进一步简化了牙轮钻头的设计和加 工工艺,降低了牙轮钻头的制造成本。 

总之,本文的研究工作为推广高速钻井等现代钻井技术提供了技术支持,将进一 步推动我国钻井新技术的发展,降低钻井成本,增强我国牙轮钻头在国际市场上的竞 争力,为国家创造更大的经济效益。因此,本文的研究工作不仅具有重要的理论意义 和学术价值,而且具有广泛的应用前景。

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