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井下軸承的關鍵技術與發展方向要點分析

井下軸承的關鍵技術與發展方向要點分析

 

所謂的井下軸承指的就是井下動力鉆具所用的軸承,井下動力鉆具主要包括渦輪鉆具和螺桿鉆具,其使用的軸承主要包括推力球軸承、聚晶金剛石(PCD)軸承和徑向硬質合金(TC)軸承,并從材料優選,結構改進,制造工藝的角度分析了井下軸承的關鍵技術,探索了未來軸承的發展方向。


一、止推軸承的發展現狀:

止推軸承連接上部靜止的鉆桿柱和旋轉的驅動軸。動力鉆具在高速工作中,止推軸承狹小的工作面上作用了巨大的軸向荷載和波動的沖擊荷載,導致軸承極易壓潰損壞。另外工作溫度超過100℃,以及泥漿的腐蝕和硬粒的擠壓,均會加速軸承的磨損,對軸承的使用壽命造成影響。目前動力鉆具中應用廣泛的止推軸承有推力球軸承和PCD推力軸承。


我國的PCD軸承尚處于研究階段,中國地質大學(北京)設計了新型的PCD止推軸承結構,主要由動盤、靜盤、外套、碟簧、底座等組成,如圖1所示。動盤和靜盤上都通過冷鑲的方式鑲嵌了一定數量的聚晶金剛石復合片,其中動盤鑲嵌25個,靜盤26個,復合片數量不同保證了兩盤復合片相互錯開,從而避免了復合片發生咬合。軸承運行過程中,動盤和鉆具轉軸固定在一起,并隨之轉動;靜盤軸向固定在外套上,外套則和鉆具外殼固定。實驗表明,該種PCD止推軸承振動小,性能穩定,有較高的使用壽命。


1 PCD軸承


二、井下軸承的關鍵技術與發展方向要點主要有以下幾點:

1、優選材料,提高摩擦副的耐磨性

材料的發展帶動著軸承的發展,軸承材料的優選往往能起到事半功倍的效果。動力鉆具軸承材料需要具有高的表面硬度,高耐磨性,高強度,高剛度和良好的韌性,以及耐高溫和耐腐蝕的能力。目前常用的軸承材料見表1。


 

1 推力球軸承材料

除了傳統的軸承合金鋼,還有許多新興的軸承材料,典型的有前文提到的聚晶金剛石(PCD)材料,另外還有陶瓷材料。陶瓷軸承材料主要有氮化硅,氧化鋯,碳化硅3種。陶瓷材料本身具有很多突出的優點,如不怕腐蝕,質量輕,高耐磨,受力不易變形等,因此陶瓷軸承常應用于高精度或特種作業中。陶瓷軸承應用到動力鉆具中,還需要不斷改進配方,以提高陶瓷抗疲勞,抗沖擊的能力。

 

2、改善軸承的接觸條件

止推軸承主要承受旋轉摩擦和軸向載荷,這兩種載荷之間相互影響,改善軸承的接觸條件,可以有效降低軸向載荷和摩擦力,提高軸承壽命,如國內外已在開發動壓軸承應用于孔下動力鉆具。

 

動壓軸承是一種建立在流體動壓潤滑理論上的新型軸承,具有高的承載力以及低的摩擦系數。流體動壓潤滑是指相對運動的摩擦表面充滿了潤滑劑,相對運動使得潤滑劑具有足夠的壓力支撐起兩個摩擦表面,從而使接觸的摩擦轉化為非接觸摩擦,大大減少了摩擦副的磨損和摩擦阻力。動壓油膜能夠提供極高的承載力,可以有效地支承動力鉆具中來自軸向的載荷,而避免磨損。流體在潤滑的過程中不斷帶走熱量,減少高溫對軸承造成的損傷。另外,液體的非接觸摩擦取代接觸摩擦,給動力鉆具的旋轉工作帶來更高的穩定性。

 

動壓軸承技術的關鍵在于動壓油膜的形成。動壓油膜的形成與轉速和流體粘度有關,只有當轉速超過一定值時,滑動的摩擦面間才會產生潤滑作用,因此提出啟動轉速的問題;粘度過小,滑動面之間容易發生干接觸,接觸面間的應力增大。流體與摩擦面間的粘附作用也需要進一步研究。

 

3、改進機械結構緩沖外載

對軸承或軸承組的結構進行調整改進也是提高軸承使用可靠性和壽命的重要手段。最早使用的滾動推力軸承采用油潤滑,但是難以實現良好的密封,因此逐漸改為了采用泥漿潤滑的開式結構,并去除了軸承的內外環。以美國貝克公司為代表的止推軸承采用了充油密封平面滾柱軸承,但是該軸承只適于低速螺桿鉆具。上海石油化工機械技術研究所研制的多盤結合式推力球軸承,改變了軸承的受力狀態,減少了磨損與毀壞,該軸承在轉速>550r/min的螺桿鉆具中,使用壽命超過100h。SKF公司通過調整軸承各列間的間隙,使各組軸承的受力更為均勻;使用圓柱滾子代替滾珠,大大降低了滾動體的工作應力;采用減振裝置,減少了軸向載荷的波動量。

 

4、改進加工制造方法

熱處理工藝是軸承制造的關鍵。近年來又開發了軸承表面激光處理技術,軸承表面經激光強化處理后,支撐節軸承平均使用壽命達300h,為普通渦輪鉆具支撐節的2.5倍。在金屬橡膠滑動止推軸承方面,為了提高金屬止推盤的抗磨性,前蘇聯采用了等離子體強化技術。等離子體強化技術可使金屬止推盤和耐磨性提高5~7倍,使零件的翹曲度變形很小,使精加工的工作量變少,有利于組織批量生產。據1986年以來現場試驗資料統計表明,等離子體強化技術處理過的金屬橡膠止推軸承的渦輪鉆具,平均使用壽命為371h,比普通渦輪鉆具的檢修周期延長了4.69倍?,F在,該技術也應用到渦輪鉆具徑向扶正軸承金屬套和螺桿鉆具部分摩擦副的強化處理之中。

 

軸承的加工制造方面,國內與國外雖說有一定的差距。但是目前我國在高端鐵路軸承上已經取得了良好的成績,這就是我們對軸承高端制造成果的一個開端,相信不久的將來,我國各個領域中軸承地技術上都會有一定的突破,從而打造國外的壟斷。對于井下軸承來說,流體動壓潤滑是未來滑動軸承的發展趨勢,應盡快設計出動力鉆具適用的流體動壓軸承,以提高動力鉆具整體使用可靠性和壽命。

(來源:中華軸承網)



 

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