牙轮钻头轴承单元试件的摩擦磨损性能

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Friction and W ear Behavior of Rock Bit Bearing Unit SpecimensWang Guorong Zhong Lin Yang Changhai Chen Linyang(School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China)Abstract：Because of the smal structure size，high working load and temperature，and poor lubrication condition，themain failure of rock bit bearing is caused by friction and wear.In order to improve the bearing lubrication performance andservice life，the mathematical model of fluid lubrication of rock bit bearing was built through simulating the working condi-tions of rock bit bearing units，and the variations of friction coeficient，wear capacity and temperature of rock bit bearingunit specimens under diferent conditions were studied on MMW-1 universal testing friction and wear machine with bearingmaterials of 20CrNiMo as pin and beryllium bronze as disc.The results show that，on the simulated operating conditions ofrock bit bearing，the friction coeficient of the pin-disc specimens is increased as the load increasing at constant rotationspeed，and reduced as the rotation speed increasing at constant load.The temperatures of the specimens and the grease areincreased with the increase of load and speed，and at the load of 120～200 N and the speed of 60～192 r/min，the tern-peratures of the specimens and the grease maintain at a lower value of about 40℃ .that is a better lubrication perform anceis got.The wear surface morphology analysis shows that the adhesive weal-results in the failure of rock bit bearing。

Keywords：rock bit bearing；friction and weal"；fluid lubrication；lubrication perform ance牙轮钻头是钻井工程中最主要的破岩工具 ，其工作性能直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本。牙轮钻头在石油钻头中占有 50%左右的市场，尤其是在深井、超深井硬、极硬、研磨性等地层的钻进中具基金项 目：国家 自然科学基金项 目 (50905149)。

收稿 日期 ：2012-09-18作者简介：王国荣 (1977-)，男，博士，教授，研究方向为石油矿 锄 械和牙轮钻头轴 承的摩 擦磨损 .E-mail：Swpi2002###163.tom有 PDC、金刚石钻头不可替代的优势，且更改布齿方式后可适用于各类地层。使用寿命短是牙轮钻头目前难以突破的-个瓶颈，这主要是因为其轴承工作环境载荷大、温度高、润滑条件差，且其体积孝结构尺寸受限等。现场数据的统计分析表明，在实际钻井过程中，轴承的先期磨损损坏是影响牙轮钻头使用寿命和工作性能的主要原因之-，即牙轮钻头中滑动轴承的摩擦学性能是影响其工作性能和寿命的主要因素，因此减小牙轮钻头滑动轴承运动部件的摩擦和磨损对2013年第 3期 王国荣等：牙轮钻头轴承单元试件的摩擦磨损性能 15提高轴承的承载能力和工作寿命至关重要。

本文作者以牙轮钻头轴承轴颈材料 20CrNiMo为销试件，轴套材料铍青铜为盘试件 ，在销 -盘摩擦磨损试验机上研究其摩擦磨损特性，探讨载荷、转速等工况参数及试件表面织构变化对牙轮钻头滑动轴承单元摩擦性能的影响，从单元实验研究的角度为提高牙轮钻头滑动轴承的润滑及承载性能提供了依据。

1 牙轮钻头轴承单元实验的理论基础牙轮钻头滑动轴承和其他滑动轴承-样，其流体动压润滑的理论基础是 Navier.Stokes方程和质量守恒定律。假设 20CrNiMo销试件与铍青铜盘试件摩擦副表面都是光滑的，同时与其他表面在相互接触时相比，油膜厚度的变化幅度较小；对于等温、不可压缩的润滑剂来说 ，根据文献 [1-3]，销 -盘单元实验的-维瞬时雷诺方程可写为：! 二坚 1：旦 二 1a xl 12g a J L 2 d J- 1 1 (1) 0 J Ld式中：P 是流体动压； 是润滑剂的动力黏度 ；U是移动表面的滑动速度；H 和 描述划定界面的几何尺寸 ；hmin是最小油膜厚度 (如图 1所示)。

该-维模型是依据以前的研究工作 。 ，针对活塞环的仿真其已经作为统-的理论分析模型，销 -盘摩擦副的旋转运动和活塞环的往复运动的数学模型如图 1所示。 实验载荷 r(t)陶1 牙轮钻头轴承销-盘试件流体动压润滑系统的数学模型简图Fig 1 The fluid dynamic pressure lubrication mathematic modelfor pin-on-disc specimen of rock bit beating根据 Vogel，Barus and Cros所建立模型的相关性，润滑剂的动力黏度主要受温度、压力和剪切速率的影响，即，pH - xp 轰 压力效应 ：± ! ! ±! ! ： (2)1( /(c1c2T))l 薄膜剪切效应 B[0.60.9651g(1 ooogr)]10式中： 是润滑剂的温度 (c)； 是润滑脂的剪切速率；0、b和 c是 Vogel方程的实验常数；C ，c：和是 Cross方程的实验常数。

由于牙轮钻头滑动轴承的结构 限制及特殊工况 ，决定了其润滑方式主要为混合润滑和边界润滑方式 ，因此单元试件销 -盘在模拟牙轮钻头滑动轴承实际工况及润滑方式时，润滑剂的油膜厚度较薄，表面接触时有发生。根据文献 [7-8]，表面接触压力的计算可以根据 Greenwood和 Tripp方程来计算。

1 (叼 0-5/2 )]P( t) j pAsP≤3L30- PAsP≥ 30-(3)式中：PASP表示表面接触压力 ； h-Z /0-表示摩擦副表面的量纲-间隙，Z /z z 表示组合粗糙度峰值的平均高度；JB√(1 )(1/fl)表示组合粗糙度峰值的平均高度；0- 0-i表示综合粗糙度峰值高度的标准偏差；7√ 表示组合粗糙度的峰值密度；E E E /(E (1- ；)E：(1-))表示复合弹性模量 ；u表示泊松比；e 表示柔性表面的抗拉强度。

由销 -盘试件流体动压润滑系统的数学模型及混合润滑状态下润滑脂的流体动压及销盘接触压力的计算公式，该牙轮钻头滑动轴承单元试件销-盘计算的理论基础 (平衡方程)为：FwPHPAsP (4)式中：Fw表示外加载荷。

16 润滑与密封 第 38卷2 实验设备与方案2.1 试件的设计牙轮钻头轴承的摩擦磨损实验是在 MMW-1型万能摩擦磨损试验机上进行，其结构示意图如图 2所刁 。

图2 牙轮钻头滑动轴承单元摩擦磨损实验装置原理示意图Fig 2 The principle diagram of friction and wear experimentaldevice of rock bit sliding bearing结合赫兹理论基础，牙轮钻头轴承的轴颈与轴套的接触形式如图 3所示 ，而销 -盘单元试件的接触形式如图 4所示。

图3 牙轮钻头滑动轴承 (轴颈 -轴套)接触几何模型Fig 3 Contanct model of axle journal and axle sleeve for rock bitsliding bearing图4 销 -盘单元试件接触几何模型Fig 4 Contanct model of pin-on-disc specimens模拟牙轮钻头滑动轴承的实际工况应满足条件 ：or or ，其中or 为实验工况下销 -盘单元试件的接触应力 ，or 为实际工况下滑动轴承轴颈和轴套的接触应力。由于牙轮钻头滑动轴承的实际工况为径向载荷37.74 kN，转速为60～240 r/min，由赫兹接触应力计算 (见式 (5))可知，需通过试验机加载在销 -盘单元试件上的轴向载荷为 100～330 N，转速为 60～240r/min，即该工况完全在试验机的技术指标范围内。

(5)实验前将牙轮钻头轴承的轴颈使用的20CrNiMo材料加工成尺寸为 西4.8 mm、摩擦接触部位尺寸为8.0 mm的圆柱销试件，同时将轴套使用的铍青铜材料加工成内径为38 mm，外径为54 mm，高度为 10mm的圆盘试件，如图 5所示。试验时将圆柱销试件放入销夹头中固定，盘试件放入大试环内部通过定位销固定 ，通过旋转转动轴来实现销 -盘试件的相对滑动。盘 试 样 材 料 为 经 时 效 硬 化 处 理 的硬 度 为HRC36～41的铍青铜；销试样为摩擦表 面经渗碳处理，渗碳层厚度为 1.0～1.2 mm，含碳量为 0.9% ～1.2%，硬度为 HRC55～62的20CrNiMo。

图 5 销 -盘试件的摩擦磨损实验示意图Fig 5 The diagram of friction and wear experiment of pin-on--discspecimens2.2 实验方案的设计2.2.1 摩擦因数的测定根据牙轮钻头滑动轴承的实际工况和万能摩擦磨损试验机的技术参数 ，通过相似原理和等效计算，设计了室温下销 -盘摩擦副的20种实验工况，即分别在 64，77，192，232 r/min转速下，进行 120，180，230，290，330 N载荷的摩擦磨损实验，测试每种工况下的摩擦扭矩 ，并计算出摩擦因数。

2013年第3期 王国荣等：牙轮钻头轴承单元试件的摩擦磨损性能 17每种工况进行摩擦磨损实验 15 min，同时每 隔3 min记录-次摩擦扭矩。摩擦扭矩取 5次数据的平均值。为了消除外部因素及设备本身对实验结果的影响，每种实验工况下重复试验3次，取3次试验的平均值。

2.2.2 磨损量 的测定磨损实验在载荷290 N、转速 192 r/min下进行 ，实验进行 180 min，并且每隔 30 min取下试件 ，清洗、烘干后 ，测量试件质量 (每次测量时，重 复测量3次，取3次测量数据的平均值)。

试件磨损量用磨损失重来表示，取3组试件实验数据的平均值为试件的磨损失重。

2.2.3 表面磨痕形弥析摩擦磨损实验后，采用XTL-500体式显微镜分析干摩擦和边界润滑方式下销 -盘试件的表面形貌变化。

3 结果及分析3.1 边界润滑条件下销 -盘试件的摩擦性能图6示出了 20CrNiMo销与铍青铜盘摩擦副在边界润滑情况下，载荷与转速对摩擦性能的影响。

- .-64 rJ min--.-77 r，m in -.广-192 r/min- 232 r/min《100 150 200 250 300 350加载力piN(a)载荷的影响- .- 120N - 180N - 230N -- 290N - 330N0.050.04圜0.03图 6 边界润滑下载荷与转速对试件摩擦性能的影响Fig 6 The influence of load(a)and speed(b)on the frictionperformance of specimens under boundary lubrication从图 (a)可以看出，等效实验工况下，当转速为 232 r/min时 ，销 -盘试件的摩擦因数随加载力的增加先降低后升高 ；而在其他转速下 ，销 -盘试件的摩擦因数都随载荷的增大而升高，最终摩擦因数都稳定在 0.04左右。从图 (b)可以看 出，边界润滑情况下 ，当载荷-定时，销 -盘试件的摩擦因数随转速的升高而降低。

综合图6可以看出，牙轮钻头滑动轴承单元试件在大载荷、低转速工况下的摩擦因数比其他工况下要大；并且摩擦 因数 的变化范 围基本保 持在 0.03～0.05之间。

图7示出了边界润滑下载荷与转速对试件温度升的影响。从图 (a)可以看出，当载荷-定时，随着销试件转速的增加 ，销 -盘摩擦副和润滑脂的温度逐渐升高；从图 (b)可以看出，当单元试件销的转速- 定时，随着载荷的增加 ，销 -盘摩擦副与润滑脂的温度也逐渐升高。

综合图7可以发现，随着载荷和转速的增加，销 -盘摩擦副与润滑脂的温度-直处于上升趋势。但是在试验载荷 W<180 N时，温度上升较慢 ，销 -盘试件的温度保持在40℃左右；同时在转速6o-192 r/min之间销 -盘试件的温度上升趋势较小，即在实验载荷为 120-180 N、转速为60-192 r/min时，牙轮钻头轴承单元试件的温度较低，且润滑性能较好。

- .-120N -.180N --广230N - 290N - 330N6O55504520151050 100 150 200 250转速n/(r·min )(a)转速的影响.-- -it--64 r/min -.-77 rt min -.r192 r/min- 232 r/min赠加载力piN(b)载荷的影响图7 边界润滑下载荷与转速对试件温度的影响Fig 7 The influence of load(a)and speed(b)on the temperatureof pin-on·-disc specimens under boundary lubrication瑚瑚0 响晰糙㈣鲫润滑与密封 第 38卷(上接第 18页)5Akalin O，Newaz G M.Piston ring-cylinder bore friction mod-cling in mixed lubrication re，me：Part I：analytical results[J]。

6Takata R，Li Y，Wong V W.Efects of lubricant viscosity onring/liner friction in advanced reciprocating engine systems[C]//ASME-ICEF 2006 Fal Technical Conference，ICEF2006- 1526。

7Greenwood J A，Tripp J H.The contact of two nominally flatrough surfaces[J].Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers 1970，185(1)：625-633。

8Tomanik E，Chacon H，Teixeira G.A simple numerical proce-dure to calculate the input data of Greenwood - W iliamsonmodel of asperity contact for actual engineering surfaces[C]//Leeds-Lyon Symposium on Tribology：Tribological Researchand Design for Engineering Systems，Tribology Series，2003，41：205-216。

9冯伟，严新平，周新聪.销盘滑动磨损试验的仿真建模研究[J].中国机械工程，2005，16(23)：2141-2144。

Feng Wei，Yan Xinping，Zhou Xincong.Research on simulationmodeling for pin-on-disc sliding wear test[J].Chinese Me-ehanical Engineering，2005，16(23)：2141-214。

1O王国荣.牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究[D].成都：西南石油学院机械工程系，2004。