玄令超，管志川，張會(huì)增

XUAN Ling-chao, GUAN Zhi-chuan, ZHANG Hui-zeng

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，青島 266580）

0 引言

螺桿鉆具憑借其良好的機(jī)械和水力性能，在定向造斜、水平井鉆進(jìn)和開(kāi)窗側(cè)鉆等作業(yè)中得到廣泛使用[1]。在鉆井工作時(shí)，螺桿鉆具通常需要承受大幅波動(dòng)的軸向載荷，推力軸承作為傳動(dòng)軸總成重要組成部分，是最易損壞失效的部位之一，這是由推力軸承的自身結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境決定的。推力軸承通過(guò)四點(diǎn)接觸的形式傳遞軸向載荷，滾球與內(nèi)外圈接觸應(yīng)力大、應(yīng)力分布不均勻。螺桿鉆具在井下工作時(shí)，推力軸承最大承受數(shù)十噸的軸向載荷和沖擊力，容易造成軸承的快速磨損、破損，導(dǎo)致推力軸承失去承載能力。

長(zhǎng)慶油田勘探局鉆井二處共統(tǒng)計(jì)137套螺桿鉆具失效情況，其中推力軸承損壞29套，占比為21.2%，推力軸承實(shí)際使用壽命比設(shè)計(jì)壽命縮短40～50小時(shí)[2]。2005年～2006年長(zhǎng)慶油田西川石油工具廠修理螺桿鉆具178套，因推力軸承、傳動(dòng)軸和殼體損壞的就有102套，占比高達(dá)57%，而且壽命不到60小時(shí)的螺桿鉆具問(wèn)題都發(fā)生在傳動(dòng)軸部位[3]。2007年～2008年山西風(fēng)雷公司維修螺桿鉆具140套，其中傳動(dòng)軸部位損壞25套[4]。推力軸承的損壞已經(jīng)嚴(yán)重影響到螺桿鉆具的正常使用。

隨著鉆井復(fù)雜工況的日益增多，對(duì)長(zhǎng)壽命、大扭矩螺桿鉆具的需求逐漸增多，分析推力軸承的受力情況成為提高螺桿鉆具壽命的關(guān)鍵之一。本文利用有限元軟件ANSYS-Workbench對(duì)常規(guī)LZ172螺桿的推力軸承進(jìn)行了仿真分析，并設(shè)計(jì)一種圓錐滾子推力軸承，有效提高螺桿鉆具承受軸向載荷能力。

1 推力軸承受力及失效分析

1.1 受力分析

當(dāng)施加鉆壓鉆進(jìn)時(shí)，推力軸承承受的軸向載荷包括：1）轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向軸、傳動(dòng)軸和鉆頭的總浮重；2）鉆具馬達(dá)壓降產(chǎn)生的軸向水力載荷；3）傳動(dòng)軸總成上所受的壓差力；4）鉆壓，與其他力作用方向相反。當(dāng)鉆壓與其他力之和相等時(shí)，推力軸承不受力，該工況下軸承壽命最高[5]。鉆柱的縱向振動(dòng)以及井底的多邊形效應(yīng)，導(dǎo)致井底鉆壓可波動(dòng)到鉆壓的3～5倍，這無(wú)疑會(huì)造成推力軸承的提前損壞。

1.2 失效形式

螺桿推力軸承實(shí)際受力為點(diǎn)接觸受力，承載能力有限；井下惡劣的工作環(huán)境常造成軸承的提前失效[6]。其失效形式主要有三種：1）過(guò)度磨蝕；軸承使用鉆井液潤(rùn)滑冷卻，潤(rùn)滑條件差，且鉆井液中的小粒徑巖屑等雜質(zhì)在軸承內(nèi)滾動(dòng)，造成滾球、滾道的麻點(diǎn)和擦傷。2）振動(dòng)磨蝕；鉆井過(guò)程中鉆壓的波動(dòng)一直存在，軸承的不均勻磨損造成滾球的滑動(dòng)振動(dòng)，振動(dòng)引起軸承接觸面磨蝕破壞。3）破碎、破損；大鉆壓鉆進(jìn)造成軸承劇烈振動(dòng)和碰撞，部分軸承鋼球尺寸精度低，存在微裂紋、氣泡等缺陷，劇烈振動(dòng)時(shí)容易引起軸承破損。

2 推力軸承有限元模型建立

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

螺桿鉆具推力軸承串一般由7～10層軸承組成，每層軸承有滾球、外圈和內(nèi)圈三部分組成。其內(nèi)、外圈滾道為桃型截面，滾球與兩個(gè)內(nèi)圈和兩個(gè)外圈呈現(xiàn)為四點(diǎn)接觸。軸承材料采用55SiMoVA，力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度σb≥2400MPa；屈服極限σs≥1880MPa。該軸承適用于承受以軸向載荷為主的軸向、徑向聯(lián)合負(fù)荷，起到鉆壓傳遞和傳動(dòng)軸居中扶正的作用。

圖1 螺桿鉆具推力軸承

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

推力軸承滾球與內(nèi)外道的接觸屬于多體接觸問(wèn)題，求解接觸問(wèn)題時(shí)需要考慮復(fù)雜的摩擦效應(yīng)[7]。通過(guò)簡(jiǎn)單公式計(jì)算求解赫茲接觸問(wèn)題，已經(jīng)不能完全展現(xiàn)推力軸承的實(shí)際受力狀況，利用有限元軟件ANSYSWorkbench求解推力軸承的接觸問(wèn)題更準(zhǔn)確[8]。

參照常規(guī)LZ172螺桿鉆具尺寸，建立5層推力軸承模型，使用multizone方法劃分均勻六面體網(wǎng)格，通過(guò)bodysize參數(shù)控制網(wǎng)格的疏密。設(shè)置接觸面為對(duì)稱(chēng)接觸行為，滾球與內(nèi)外圈接觸面的摩擦系數(shù)為0.15，采用增廣拉格朗日乘子法實(shí)現(xiàn)法向接觸約束，該算法在迭代計(jì)算過(guò)程中根據(jù)載荷大小和材料屬性自動(dòng)修正接觸參數(shù)與迭代時(shí)間間隔。

推力軸承主要承受鉆壓等軸向載荷，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定，忽略傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)軸承接觸的影響[9]。設(shè)置螺桿鉆具傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為120r/min，對(duì)軸承下端的內(nèi)圈底面施加固定約束，對(duì)上端的外圈施加軸向壓力，對(duì)軸承進(jìn)行有限元仿真模擬。

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 推力軸承整體受力分析

圖2 推力軸承有限元網(wǎng)格模型

對(duì)推力軸承施加60kN軸向載荷，分析某一時(shí)刻推力軸承內(nèi)、外圈及滾球的應(yīng)力分布規(guī)律。從軸承的應(yīng)力云圖（圖3）可以看出，螺桿鉆具推力軸承在傳遞鉆壓過(guò)程中，每個(gè)滾球只有2點(diǎn)與內(nèi)、外圈接觸，通過(guò)內(nèi)、外圈的剪切錯(cuò)動(dòng)使各層的滾球分擔(dān)軸向載荷。等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在滾球與內(nèi)圈接觸部位，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。每個(gè)滾球的應(yīng)力峰值并不相同，但應(yīng)力分布規(guī)律相似，這說(shuō)明滾球在滾動(dòng)過(guò)程中承擔(dān)的載荷是各不相同的。內(nèi)外滾圈應(yīng)力分布較為均勻，且應(yīng)力峰值小于滾球應(yīng)力峰值，而且各層內(nèi)、外圈所受應(yīng)力相差不大。滾球相對(duì)于滾道更容易破壞和磨損。

圖3 推力軸承及頂層滾球等效應(yīng)力云圖

對(duì)各層滾球依次編號(hào)，分別取滾球的應(yīng)力峰值進(jìn)行對(duì)比（圖4）。盡管各層軸承承受相同的60kN軸向載荷，但各個(gè)滾球的應(yīng)力峰值并不相同，呈現(xiàn)震蕩波動(dòng)態(tài)勢(shì)，這是鉆壓與轉(zhuǎn)速共同作用的結(jié)果。滾球在滾動(dòng)過(guò)程中存在振動(dòng)和滑動(dòng)，接觸面積與接觸形式都在發(fā)生變化，各個(gè)滾球承受的載荷以及等效應(yīng)力峰值也在變化。頂層滾球應(yīng)力峰值最大，波動(dòng)也最為劇烈，表明頂層滾球最易損壞；底層滾球應(yīng)力峰值次之；中間各層滾球等效應(yīng)力峰值最小，波動(dòng)幅值也只有頂層滾球波動(dòng)幅度的35%。因此，相同工況下頂層滾球更易損壞，多層推力軸承改進(jìn)應(yīng)著重考慮頂層滾球和頂層內(nèi)、外圈。

3.2 鉆壓波動(dòng)對(duì)軸承受力的影響

模擬常規(guī)鉆井鉆壓波動(dòng)情況，逐步提高推力軸承的軸向載荷，分析某一時(shí)刻推力軸承頂層滾球應(yīng)力分布情況（圖5）。隨著軸向載荷的增加，頂層滾球應(yīng)力峰值越來(lái)越大，波動(dòng)也變的劇烈，鉆壓150kN時(shí)滾球應(yīng)力峰值波動(dòng)幅度307.57MPa，遠(yuǎn)大于60kN時(shí)滾球的應(yīng)力波動(dòng)幅度80.91MPa。高鉆壓情況下，滾球的應(yīng)力峰值迅速增加，滾球承擔(dān)載荷不均的情況更明顯，各個(gè)滾球磨損情況也會(huì)更加不均勻。大鉆壓鉆進(jìn)、鉆壓波動(dòng)、沖擊載荷對(duì)推力軸承會(huì)有較大磨蝕和損壞。建議合理設(shè)計(jì)鉆壓，使用井下減振工具或優(yōu)化鉆井參數(shù)，減弱井底鉆壓的波動(dòng)，盡量避免使用大鉆壓鉆進(jìn)。

圖4 軸承各層滾球等效應(yīng)力峰值

圖5 不同鉆壓下軸承頂層滾球等效應(yīng)力峰值

3.3 滾球磨損對(duì)軸承受力的影響

圖6 不同鉆壓下磨損滾球等效應(yīng)力峰值

推力軸承在使用過(guò)程中存在滾球的磨損，直接導(dǎo)致滾球的接觸情況和應(yīng)力分布發(fā)生變化。相同軸向載荷情況下，滾球應(yīng)力峰值隨著滾球直徑的減小呈現(xiàn)波動(dòng)態(tài)勢(shì)（圖6），直徑18.8mm滾球軸承應(yīng)力峰值最大，直徑18.4mm滾球軸承應(yīng)力峰值最小。隨著軸向載荷的增大，滾球應(yīng)力峰值也在相應(yīng)增大，但滾球應(yīng)力峰值與滾球直徑關(guān)系曲線的形態(tài)基本不變。設(shè)計(jì)新型滾球推力軸承串時(shí)，可以?xún)?yōu)先考慮滾球直徑18.4mm，相同鉆壓下可以降低軸承滾球的應(yīng)力峰值。

4 圓錐滾子軸承設(shè)計(jì)

4.1 圓錐滾子軸承設(shè)計(jì)與仿真

圓錐滾子軸承能形成軸向非常緊湊的軸承配置，可以承受很重的軸向載荷，對(duì)沖擊載荷不敏感，而且剛性好[10]。設(shè)計(jì)一種螺桿鉆具用圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)（圖7），每列軸承中所有圓錐滾子的母線與軸承圈滾道母線均交匯于軸心線上某一點(diǎn)，從而保證了圓錐滾子的純滾動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：1）接觸方式由“點(diǎn)接觸”變?yōu)椤熬€接觸”，增大了滾子與內(nèi)外圈的接觸面積，提高了承載軸向載荷的能力；2）采用圓錐滾子可以降低其接觸剛度，使整個(gè)推力軸承組的緩沖、吸振性能更好。

圖7 圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)圓錐滾子大徑16mm，小徑10mm，長(zhǎng)度20mm。圓錐滾子的大小徑兩端容易出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了克服這種“邊緣效應(yīng)”，對(duì)圓錐滾子兩端進(jìn)行了倒圓角調(diào)整。軸承每層安放19個(gè)圓錐滾子，設(shè)計(jì)5層圓錐滾子軸承模型，采用與滾球軸承相同的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行受力仿真分析。相同軸向載荷情況下，各個(gè)圓錐滾子等效應(yīng)力峰值基本相同（圖8），應(yīng)力峰值和波動(dòng)幅度相對(duì)于滾球軸承都有大幅減小，減小了各個(gè)圓錐滾子承擔(dān)載荷和磨損的差異性。隨著軸向載荷增加，圓錐滾子應(yīng)力峰值增加趨勢(shì)也相對(duì)放緩，該新型軸承可以承受更大的鉆壓和沖擊力。

圖8 不同鉆壓下圓錐滾子等效應(yīng)力峰值

4.2 滾球與圓錐滾子應(yīng)力分布對(duì)比

施加60kN軸向載荷，在相同工況下分析兩種推力軸承的應(yīng)力分布狀態(tài)。任意取兩個(gè)滾球與圓錐滾子進(jìn)行對(duì)比（圖9）：滾球應(yīng)力峰值更大，與滾圈的點(diǎn)接觸導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，容易發(fā)生嚴(yán)重點(diǎn)蝕和破碎；圓錐滾子應(yīng)力峰值相對(duì)滾球減小51%，應(yīng)力分布更為均勻，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圓錐滾子增大了軸承的接觸面積，降低了軸承的應(yīng)力峰值，改善了軸承等效應(yīng)力分布狀況，降低了軸承嚴(yán)重點(diǎn)蝕和破碎的幾率，新型軸承井下工作壽命更為長(zhǎng)久。

圖9 滾球與圓錐滾子等效應(yīng)力云圖對(duì)比

5 結(jié)論

1）推力軸承等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在滾球與內(nèi)圈接觸部位，每層軸承的各個(gè)滾球受力相對(duì)均勻。頂層滾球應(yīng)力峰值最大，波動(dòng)也最為劇烈，表明頂層滾球最易損壞。因此，多層推力軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)應(yīng)著重考慮頂層滾球。

2）高鉆壓情況下，滾球的應(yīng)力峰值迅速增加，滾球承擔(dān)載荷不均的情況更加明顯，各個(gè)滾球磨損情況也會(huì)更加不均勻。建議合理設(shè)計(jì)鉆壓，使用井下減振工具或優(yōu)化鉆井參數(shù)，減弱井底鉆壓的波動(dòng)，盡量避免大鉆壓鉆進(jìn)。

3）隨著滾球直徑的磨損，相同載荷下滾球應(yīng)力峰值存在大幅波動(dòng)。設(shè)計(jì)新型滾球推力軸承串時(shí)，可以?xún)?yōu)先考慮滾球直徑18.4mm，相同載荷情況下可以降低推力軸承滾球的應(yīng)力峰值。

4）圓錐滾子軸承消除了滾子的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值大幅減小，各個(gè)滾子磨損受力更為均勻，圓錐滾子推力軸承可承受更大的軸向載荷，降低軸承嚴(yán)重點(diǎn)蝕和破碎的幾率。

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