廖文玲1 王國(guó)榮 鐘 林

(1.成都工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 四川成都 611730；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500；3.西南石油大學(xué)能源裝備研究院 四川成都 610500)

相比于滾動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承具有承載能力大、耐用性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各種機(jī)械設(shè)備中。牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承作為牙輪鉆頭的關(guān)鍵零部件，是牙輪鉆頭傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)形式的橋，而在重載、高溫、高壓及混合潤(rùn)滑的復(fù)雜工作環(huán)境下，對(duì)滑動(dòng)軸承工作性能和使用壽命影響很大，成為制約牙輪鉆頭發(fā)展的瓶頸之一。

針對(duì)特殊工況下的牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承，研究人員進(jìn)行了多方面研究。XIONG[1]將流體潤(rùn)滑理論引入牙輪鉆頭的密封設(shè)計(jì)中，并提出了金屬密封，為牙輪鉆頭軸承的潤(rùn)滑分析奠定了一定的理論基礎(chǔ)。KELLY[2]從軸承的壽命預(yù)測(cè)及改進(jìn)軸承鎖緊裝置著手，對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。伍開(kāi)松和馬德坤[3]通過(guò)三維有限元接觸應(yīng)力分析的方法，對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的表面接觸壓力峰值降低了34.6%，且軸承表面的接觸壓力分布更加合理。王國(guó)榮[4]將浮動(dòng)套軸承引入牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)中，并對(duì)浮動(dòng)套牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)浮動(dòng)套軸承的內(nèi)外間隙比為2時(shí)滑動(dòng)軸承有良好的綜合性能。HUANG等[5]將DH-60抗磨損涂層運(yùn)用到滑動(dòng)軸承表面，用于延長(zhǎng)軸承的使用壽命，結(jié)果表明，抗磨損涂層的使用使軸承表面磨損降低了30%，軸承的平均使用壽命延長(zhǎng)了12%。SUTO和TAKAHASHI[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了鉆頭軸承載荷對(duì)摩擦熱和溫度的影響，指出鉆井高溫環(huán)境及摩擦熱的形成將導(dǎo)致牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承從混合潤(rùn)滑狀態(tài)向邊界潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)變，且摩擦熱導(dǎo)致的溫度持續(xù)升高將破壞徑向軸承的O形密封圈。FINK[7]對(duì)鉆井用潤(rùn)滑劑進(jìn)行了研究，并提出了一種合成潤(rùn)滑介質(zhì)，相對(duì)于傳統(tǒng)烴類(lèi)潤(rùn)滑脂具有黏度高、能在低溫環(huán)境下工作及良好的熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性特點(diǎn)，有利于提高軸承的使用壽命。另外，WANG和HE等[8-10]針對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承特殊工況，從表面織構(gòu)對(duì)軸承材料的抗磨損性能和模擬工況下表面織構(gòu)對(duì)軸承單元摩擦學(xué)性能影響兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，表面織構(gòu)的存在能夠減輕工況下軸承的磨損情況，參數(shù)優(yōu)化后的表面織構(gòu)最大可減小78.8%的軸承磨損率。

盡管在針對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承工況下的軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化、軸承潤(rùn)滑及表面抗磨損上做了大量的研究，但都是基于密封狀況良好的基礎(chǔ)上，并未考慮高溫及沖擊載荷引起的鉆井液泄漏對(duì)滑動(dòng)軸承造成的影響。因此，本文作者采用MCR102旋轉(zhuǎn)流變儀和MDW-1型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別開(kāi)展牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承模擬工況下復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂流變性測(cè)試實(shí)驗(yàn)及滑動(dòng)軸承單元摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究高溫或沖擊載荷引起的鉆井液泄漏對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑及摩擦磨損的影響機(jī)制，為進(jìn)一步探索延長(zhǎng)鉆井液泄漏工況下牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承使用壽命的有效方法提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 潤(rùn)滑脂流變性測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

潤(rùn)滑脂流變性測(cè)試采用的設(shè)備為安東帕MCR102旋轉(zhuǎn)流變儀(如圖1所示)，MCR102流變儀主要由主機(jī)、控溫系統(tǒng)及相應(yīng)的夾具組成，主機(jī)配置有控制和分析軟件以及空氣干燥過(guò)濾單元；控溫系統(tǒng)采用Peltier控溫同軸圓筒和平行板系統(tǒng)，控溫范圍為-30～200 ℃。

圖1 MCR102旋轉(zhuǎn)流變儀

1.2 材料及方法

(1)

式中：u為流速，m/s；dy為所取液面高度差，m。

表1鉆井液組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Table 1 The composition and proportion of drilling fluid%

膨潤(rùn)土FA367SMP-2SMCKClSNUA-1超細(xì)碳酸鈣潤(rùn)滑油Barite水30.32250.5322557.2

通過(guò)式(1)可獲得實(shí)際滑動(dòng)軸承尺寸下軸承轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)剪切速率，如表2所示。設(shè)計(jì)復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂含鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、10%、20%、30%、40%和50%，并進(jìn)行了不同鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下潤(rùn)滑脂流變性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試的環(huán)境溫度為牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承實(shí)際溫度(110 ℃)?；诓煌瑵?rùn)滑脂流變性測(cè)試結(jié)果，可分析鉆井液對(duì)潤(rùn)滑脂黏度的影響。

表2 軸承轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的剪切速率

2 滑動(dòng)軸承摩擦性實(shí)驗(yàn)

由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的復(fù)雜性以及鉆井所需的成本較高，因此很難開(kāi)展實(shí)際情況下鉆井液對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承影響的實(shí)驗(yàn)研究，因而文中通過(guò)開(kāi)展牙鉆頭模擬工況下的單元摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究鉆井液泄漏對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承摩擦性性能的影響機(jī)制。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承單元摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)采用MDW-1型微機(jī)控制立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。如圖2所示，用銷(xiāo)試樣模擬滑動(dòng)軸承軸頸，其材料與實(shí)際鉆頭滑動(dòng)軸承軸頸材料相同，為20CrNiMo，經(jīng)滲碳處理后其表面硬度為HRC60，精拋光處理后粗糙度為Ra0.8 μm；用盤(pán)試樣模擬滑動(dòng)軸承軸套，其材料與鉆頭滑動(dòng)軸承軸套材料相同，為鈹青銅，經(jīng)強(qiáng)化處理后表面硬度為HRC36，拋光后的表面粗糙度為Ra0.8 μm。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，銷(xiāo)試樣與電機(jī)主軸相連并隨之旋轉(zhuǎn)，盤(pán)試樣固定于試驗(yàn)機(jī)摩擦副平臺(tái)上，從而滿(mǎn)足銷(xiāo)、盤(pán)試樣間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)要求。試樣表面間的加載力由渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)加載，摩擦因數(shù)由扭矩傳感器測(cè)量得到試樣接觸表面間的摩擦扭矩后經(jīng)換算得到。

圖2 銷(xiāo)-盤(pán)摩擦副示意圖

2.2 單元摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

單元摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)工況通過(guò)等效計(jì)算得到，即保證單元實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣間的接觸壓力與實(shí)際工況下的接觸壓力相同，速度和溫度則與實(shí)際工況一樣。因此，由三牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的實(shí)際工況及復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂與鉆井液不同比例混合情況，設(shè)計(jì)了110 ℃模擬溫度和435 N實(shí)驗(yàn)載荷(模擬90 kN鉆壓下的接觸壓力)下，轉(zhuǎn)速分別為64、156、232 r/min，潤(rùn)滑脂中鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、10%、20%、30%、40%、50%的18種實(shí)驗(yàn)工況，模擬分析密封泄漏工況下鉆井液對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承摩擦副表面摩擦磨損的影響。每個(gè)單元實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為3 h，摩擦因數(shù)取1.5 h后穩(wěn)定階段摩擦因數(shù)的平均值，磨損量為實(shí)驗(yàn)前后銷(xiāo)-盤(pán)試樣的質(zhì)量差，相同工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，取平均值為對(duì)應(yīng)工況下的摩擦因數(shù)和磨損量。實(shí)驗(yàn)后使用白光干涉儀(布魯克生產(chǎn))測(cè)量試樣的表面形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 鉆井液對(duì)潤(rùn)滑脂流變性能的影響

圖3所示為在100～600 s-1剪切速率范圍內(nèi)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉆井液對(duì)復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂黏度的影響?？梢钥闯觯诟骷羟兴俾氏?，鉆井液污染的復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的黏度均小于無(wú)污染的復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的黏度，并且在鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、剪切速率為100 s-1條件下，潤(rùn)滑脂黏度下降最大，為1 460 mPa·s。此外，盡管不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉆井液對(duì)潤(rùn)滑脂黏度的影響不完全相同，但從圖3中可以看出，隨剪切速率的增加，復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的黏度都呈現(xiàn)拋物線的下降趨勢(shì)，即在不同鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下潤(rùn)滑脂黏度隨剪切速率的變化趨勢(shì)基本相同。

圖3 鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合鋰基潤(rùn)滑 脂黏度的影響(110 ℃，435 N)

因此，在牙輪鉆頭軸承密封系統(tǒng)存在泄漏工況下，鉆井液的泄漏將降低復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的黏度，改變潤(rùn)滑脂的流變性能，但復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂黏度隨剪切速率增大而變化的趨勢(shì)并不會(huì)由于鉆井液的存在而改變。

3.2 鉆井液對(duì)滑動(dòng)軸承摩擦性能的影響

圖4所示為牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承模擬工況下，復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂中鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～50%時(shí)對(duì)滑動(dòng)軸承銷(xiāo)-盤(pán)單元表面摩擦因數(shù)的影響?？梢钥闯?，除轉(zhuǎn)速為64 r/min、鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，轉(zhuǎn)速為156 r/min、鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的實(shí)驗(yàn)工況，其余工況下鉆井液的混入都增大表面摩擦因數(shù)；相同轉(zhuǎn)速下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉆井液對(duì)摩擦因數(shù)的影響不同，其中摩擦因數(shù)增加的最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為64 r/min、鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的實(shí)驗(yàn)工況下，摩擦因數(shù)增加了0.043。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦因數(shù)的影響

圖5示出了3種不同轉(zhuǎn)速下，摩擦因數(shù)隨鉆井液比例變化的綜合波動(dòng)方差大小。

圖5 鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度的影響

可以看出，除鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%外，其余質(zhì)量分?jǐn)?shù)下鉆井液與復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂混合都將增大摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的波動(dòng)幅度，且鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，摩擦因數(shù)的波動(dòng)幅度最大，達(dá)到無(wú)污染復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑條件下的4倍。

綜上，復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂中鉆井液的混入將引起鉆頭滑動(dòng)軸承摩擦因數(shù)的增加以及增大不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)的波動(dòng)幅度，但不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉆井液對(duì)摩擦因數(shù)的影響不一樣，在文中研究條件下，鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%對(duì)平均摩擦因數(shù)及摩擦因數(shù)的波動(dòng)幅度影響最大。

圖6所示為復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂中鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～50%時(shí)對(duì)盤(pán)試樣磨損量的影響。從圖6(a)中可以看出，轉(zhuǎn)速為64 r/min下，鉆井液的污染均導(dǎo)致盤(pán)試樣的磨損量增加，且鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)盤(pán)試樣的磨損量最大。由圖6(b)可知，轉(zhuǎn)速為156 r/min時(shí)，除鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的情況，其余鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，盤(pán)試樣磨損量相比無(wú)鉆井液污染時(shí)均有所增加，且鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)磨損量最大。而由圖6(c)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至232 r/min時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鉆井液就導(dǎo)致盤(pán)試樣磨損量達(dá)到最大。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)盤(pán)試樣磨損量的影響

圖7所示為復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂中鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)銷(xiāo)試樣磨損量的影響。由圖7(a)可知，轉(zhuǎn)速為64 r/min時(shí)，鉆井液的存在均會(huì)增加銷(xiāo)單元試樣的磨損量，鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)銷(xiāo)試樣的磨損最為嚴(yán)重。由圖7(b)可知，轉(zhuǎn)速為156 r/min時(shí)，鉆井液的存在同樣均會(huì)增加銷(xiāo)試樣的磨損，當(dāng)鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)磨損量最大。而由圖7(c)可知，轉(zhuǎn)速為232 r/min時(shí)，除鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的情況 ，其余鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，銷(xiāo)試樣的磨損量均大于無(wú)鉆井液泄漏工況。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)銷(xiāo)試樣磨損量的影響

因此，鉆井液泄漏進(jìn)入復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂中會(huì)加快滑動(dòng)軸承軸頸和軸套的磨損，且不同鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同轉(zhuǎn)速時(shí)，滑動(dòng)軸承軸頸和軸套試樣的磨損存在一定的差異。綜合文中的研究結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的鉆井液對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承摩擦學(xué)性能的影響最大；隨著轉(zhuǎn)速的提高，對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承摩擦學(xué)性能影響最大的鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降至20%。

為更清楚地了解鉆井液對(duì)滑動(dòng)軸承摩擦副性能的影響機(jī)制，圖8示出了156 r/min轉(zhuǎn)速下，復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂中鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～50%時(shí)對(duì)盤(pán)試樣表面形貌的影響。可知，與圖8(a)對(duì)比，圖8(b)、(c)、(d)、(e)、(f)中盤(pán)試樣表面磨痕更寬、更深。這是由于鉆井液中含有較多的超細(xì)碳酸鈣及重晶石顆粒，超細(xì)碳酸鈣和重晶石進(jìn)入摩擦副表面隨摩擦副一起運(yùn)動(dòng)，對(duì)盤(pán)試樣表面的刮擦作用增加表面磨痕；或細(xì)小顆粒嵌入盤(pán)試樣表面，摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)在盤(pán)試樣表面形成犁溝作用，因而在盤(pán)試樣表面形成更寬、更深的磨痕。此外，鉆井液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，盤(pán)試樣表面形成的犁溝作用最嚴(yán)重。圖8中盤(pán)試樣的表面磨損形貌很好地解釋了圖4—7中鉆井液對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承銷(xiāo)-盤(pán)單元試樣摩擦磨損的影響規(guī)律。

圖8 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉆井液的脂潤(rùn)滑下的盤(pán)試樣磨損形貌

Fig 8 Wear morphology of disk specimens lubricated by grease with different mass fraction of drilling fluid

4 結(jié)論

(1)由于鉆井液的稀化作用，相比于無(wú)污染復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂，潤(rùn)滑脂中存在鉆井液時(shí)將降低同剪切速率下潤(rùn)滑脂的黏度，改變潤(rùn)滑脂的流變性能，繼而影響牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑特性。

(2)鉆井液泄漏進(jìn)入復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂，總體上將增大摩擦因數(shù)及其波動(dòng)幅度，同時(shí)加大軸承的磨損；且較高轉(zhuǎn)速下，潤(rùn)滑脂中較低含量的鉆井液就會(huì)使得軸承摩擦因數(shù)和磨損量達(dá)到最大值。

(3)由于鉆井液對(duì)復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂流變性能的影響，以及鉆井液中較多超細(xì)碳酸鈣和重晶石顆粒帶來(lái)的試樣表面磨粒磨損和犁溝效應(yīng)，鉆井液污染潤(rùn)滑臘將導(dǎo)致牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承因快速磨損而失效。