仿真技術(shù)在牙輪鉆頭浮動套軸承設(shè)計中應(yīng)用

文章分析了牙輪鉆頭滑動軸承接觸力學(xué)性質(zhì)的影響因素。在marshek和chen提出的理論基礎(chǔ)上,對接觸問題中的系數(shù)矩陣和間隙函數(shù)進(jìn)行修正,同時采用新的確定兩體接觸區(qū)域的方法,分析計算了牙輪鉆頭浮動套軸承在不對正情況下與牙輪(或牙爪)接觸的應(yīng)力,并推導(dǎo)了間隙—接觸應(yīng)力的一般表達(dá)式。

根據(jù)牙輪鉆頭浮動環(huán)軸承結(jié)構(gòu),建立其有限元模型和邊界條件,按軸承結(jié)構(gòu)的尺寸及間隙比(分別為1/3,1,2,3,4,5)進(jìn)行了浮動環(huán)應(yīng)力及工作狀態(tài)的動力仿真計算,結(jié)果與文獻(xiàn)[1]中的試驗結(jié)果基本一致,這為浮動軸承的設(shè)計提供了一種行之有效的方法。

1.概述三牙輪石油鉆頭由三牙輪和三牙爪等零件組成,裝配后在牙輪與牙爪構(gòu)成的球狀環(huán)槽(道)中注入一定數(shù)量鋼球,形成球形軸承環(huán)道。裝配時必須保證牙輪、牙爪兩零件環(huán)槽(道)中心的一致(重合)性。因此,如何控制如圖1所示的牙輪、牙爪環(huán)槽(道)中心至基面尺寸(尺寸a隨產(chǎn)品型號而異)的精度要求,一度成為牙輪、牙爪加工中的測量難題。如果增大牙輪、牙爪環(huán)槽(道)中心至基面尺寸的公差,雖然可以緩解牙輪、

牙輪鉆頭在井底破碎巖石過程中受頂部鉆壓、自身動載荷以及井底接觸巖石的隨機(jī)沖擊碰撞作用,存在牙齒與巖石交替壓入、刮切和滾動的運(yùn)動狀態(tài),受力情況相當(dāng)復(fù)雜?；趲r石彈塑性本構(gòu)關(guān)系和等效塑性應(yīng)變的巖石破壞準(zhǔn)則,考慮井底圍壓以及鉆頭與巖石互作用隨機(jī)接觸碰撞,采用有限單元法建立了牙輪鉆頭與井底巖石互作用下系統(tǒng)非線性動力學(xué)模型。探討了牙輪鉆頭在破碎井底巖石過程中的運(yùn)動規(guī)律及力學(xué)性能,對巖石破碎坑的形成過程進(jìn)行了仿真,為有效預(yù)測和控制井眼軌跡的形成,實態(tài)工況下整體鉆柱系統(tǒng)耦合非線性動力學(xué)研究提供了理論依據(jù)。

牙輪鉆頭

牙輪鉆頭簡介

牙輪鉆頭詳解

牙輪鉆頭的牙輪有繞自身軸線的自轉(zhuǎn)運(yùn)動,牙輪軸有繞鉆頭中心線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,因此在破巖時存在不同的輪頭速比。采用lsdyna通用顯式動力分析仿真軟件研究不同的輪頭速比與鉆頭破巖量的關(guān)系,對指導(dǎo)鉆頭的設(shè)計和使用,提高鉆頭機(jī)械鉆速,降低鉆井成本具有一定的意義。

牙輪鉆頭分類

牙輪鉆頭的選型與應(yīng)用++

針對目前牙輪鉆頭因軸承耐磨性差、壽命短而不能適應(yīng)高速鉆井需要的問題,應(yīng)用表面工程技術(shù)和摩擦學(xué)的相關(guān)理論,開展了牙輪鉆頭滑動軸承表面強(qiáng)化工藝和材料的系列實驗研究,并測試其性能。進(jìn)行了組織結(jié)構(gòu)分析和耐磨性、耐沖擊性能等實驗研究。幾種方法的對比實驗表明:采用等離子堆焊dh-60粉末后軸承表面涂層致密、孔隙率低、組織結(jié)構(gòu)致密、缺陷少、涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度高,并且磨損量較小,磨損后試樣基本無裂紋等缺陷,耐磨性提高30%左右,可以有效提高牙輪鉆頭軸承的使用壽命。

牙輪鉆頭的選型分析 作者：楊全，張智，李海洋，yangquan，zhangzhi，lihaiyang 作者單位：楊全,yangquan(威銳國際公司中國區(qū)(北京),北京,100025)，張智,李海洋,zhangzhi,lihaiyang(西南 石油大學(xué),成都,610500) 刊名： 重慶科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版） 英文刊名：journalofchongqinguniversityofscienceandtechnology(naturalsciencesedition) 年，卷(期)：2012,14(5) 參考文獻(xiàn)(8條) 1.劉斌,樓一珊,吳惠梅,翟曉鵬吐哈盆地柯柯亞區(qū)塊侏羅系鉆探中的鉆頭選型[期刊論文]-新疆石油地質(zhì)2012(1) 2.劉天恩,付友義,竇同偉,于成水,孫景濤,王育新鉆頭選型新思路[期刊論文]-油氣

根據(jù)多年從事鉆頭研究的經(jīng)驗,結(jié)合鉆頭理論研究及試驗成果,對鉆頭滑動軸承設(shè)計中的軸承間隙進(jìn)行分析,以期對鉆頭的設(shè)計及加工提供有益參考。對同一軸承大、小軸的間隙應(yīng)采用相同的尺寸,且在實際加工中將間隙值控制在0.07～0.13mm為優(yōu),其方法是減小牙輪、牙掌軸承尺寸的公差帶并在組裝過程中對牙輪牙掌進(jìn)行選配;牙輪竄動量是軸承設(shè)計的重要組成部分,c點(diǎn)面間隙是軸承設(shè)計的延伸部分,現(xiàn)在最小c點(diǎn)面間隙的設(shè)計公稱值一般在0.15～0.25mm,實際加工值控制在0.12～0.30mm,對牙輪竄動量和c點(diǎn)面間隙的加工控制只有選配方法。

牙輪鉆頭的合理使用 （1）根據(jù)地層可鉆性值并參考鄰井地層，選擇進(jìn)尺多、速 度快、成本低、磨損正常的鉆頭。在上部松軟地層（可鉆性 級值小于5級），可選用機(jī)械鉆速高的銑齒鉆頭，在深井段 地層（可鉆性級值大于5），可選用尺多的鑲齒鉆頭。 （2）在易井斜地層，多選用牙輪偏移量小、無保徑齒及齒 多而短的牙輪鉆頭。 （3）井底應(yīng)清潔，無落物。 （4）下鉆速度要慢，防止頓鉆。在鉆頭矩井底1單根時， 要開泵和旋轉(zhuǎn)鉆頭，充分洗井，清除井底巖屑，避免下入過 快巖屑堵塞噴嘴或開泵過猛憋漏地層。 （5）鉆頭接觸井底后，在低鉆壓、低轉(zhuǎn)速下（鉆壓10～30 ｋn，轉(zhuǎn)速60ｒ/ｍｉｎ）跑合0.5ｈ以上，造好井底形狀后， 方可逐步提高鉆壓和轉(zhuǎn)速的設(shè)計值。 （6）做好鉆還試驗，即固定鉆壓，改變轉(zhuǎn)速，或固定轉(zhuǎn)速， 改變鉆壓，使鉆壓和轉(zhuǎn)速合理匹配，達(dá)到高鉆速鉆進(jìn)。 （7）鉆進(jìn)中應(yīng)盡量提高泵壓，增大鉆頭水功

尺寸型號(iadc) 英寸mm鑲齒牙輪鉆頭鋼齒牙輪鉆頭 6152.4517,537,617,637126.127.216.217.316.346.347 61/2165.1517,537126.127.216.217.316.346.347 77/8200.0517,527,547,617,627,637126.127.216.217.316.346.347 81/2215.9437,447,517,537,617,627,637126.127.216.217.316.346.347 91/2241.3437,517,537,547,617126.127.216.217.316.346.347 9

再生資源網(wǎng)http://www.***.***/ 本文摘自再生資源回收-變寶網(wǎng)（www.***.***） 牙輪鉆頭的特點(diǎn) 牙輪鉆頭在鉆井開井工程中是非常重要的一種工具，牙輪鉆頭是一種在不斷實踐中產(chǎn)生 的工具，所以實用性非常的高。今天小編就重點(diǎn)介紹一下它的幾個方面，希望對大家有 所幫助。 一、牙輪鉆頭 牙輪鉆頭是使用最廣泛的一種鉆井鉆頭。牙輪鉆頭工作時切削齒交替接觸井底，破 巖扭矩小，切削齒與井底接觸面積小，比壓高，易于吃入地層；工作刃總長度大，因而 相對減少磨損。牙輪鉆頭能夠適應(yīng)從軟到堅硬的多種地層。 二、牙輪鉆頭的種類及用途 牙輪鉆頭按牙輪數(shù)量可分為單牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭和組裝多牙輪鉆頭。按切削材 質(zhì)可分為鋼齒（銑齒）和鑲齒牙輪鉆頭。國內(nèi)外使用最多、最普遍的是三牙輪鉆頭。在 石油、地以及各種鉆探行業(yè)中牙輪鉆頭是不可缺少的重要部分，但是牙輪鉆頭對一些鉆

三牙輪鉆頭是應(yīng)用最廣泛的鉆井鉆頭（www.***.***）之一，具有適應(yīng) 地層廣，機(jī)械鉆速高的特點(diǎn)。三牙輪鉆頭由切削結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)、鎖緊元 件、儲油密封裝置、噴嘴裝置等二十多種零部件組成。 三牙輪鉆頭的分類 1、軸承類型：滾動軸承和滑動軸承 2、密封類型：橡膠密封和金屬密封 3、按牙齒的固定方式分為：鑲齒（硬質(zhì)合金齒）三牙輪鉆頭和銑齒（鋼 齒）三牙輪鉆頭 三牙輪鉆頭的工作原理 牙輪鉆頭在鉆壓和鉆柱旋轉(zhuǎn)的作用下，牙齒壓碎并吃入巖石，同時產(chǎn) 生一定的滑動而剪切巖石。當(dāng)牙輪在井底滾動時，牙輪上的牙齒依次沖擊、 壓入地層，這個作用可以將井底巖石壓碎一部分，同時靠牙輪滑動帶來的 剪切作用削掉牙齒間殘留的另一部分巖石，使井底巖石全面破碎，井眼得 以延伸。 [1] 產(chǎn)品優(yōu)勢 石油鉆井和地質(zhì)鉆探中應(yīng)用最多的還是牙輪鉆頭。牙輪鉆頭在旋轉(zhuǎn)時 具有沖

國內(nèi)現(xiàn)有牙輪鉆頭滾動軸承多采用短圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu),滾子邊緣處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,使得軸承接觸表面極易發(fā)生疲勞破壞,為提高牙輪鉆頭滾動軸承抗接觸疲勞壽命,提出在牙輪鉆頭滾動軸承中采用凹端圓柱滾子的方案。利用有限元方法,分析普通圓柱滾子和凹端圓柱滾子在徑向載荷作用下,滾子外圓柱面上的接觸應(yīng)力分布情況,并對凹端圓柱滾子結(jié)構(gòu)參數(shù)(凹端深度及凹口直徑)進(jìn)行優(yōu)化分析。與普通圓柱滾子相比,凹端圓柱滾子最大接觸應(yīng)力降低22.33%,其優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為凹端深度4.4mm,凹口直徑5mm。結(jié)果表明,凹端圓柱滾子能有效克服普通圓柱滾子的兩端應(yīng)力集中現(xiàn)象,接觸應(yīng)力沿軸向分布均勻,最大接觸應(yīng)力明顯減小,提高了滾動軸承的抗接觸疲勞能力并延長其疲勞壽命。

根據(jù)偏心單牙輪鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)和受載特點(diǎn)建立了有限元計算模型,利用有限元軟件分析了偏心單牙輪鉆頭軸承的接觸應(yīng)力。針對偏心單牙輪鉆頭的不同偏心距和軸承間隙,重點(diǎn)分析了大徑向軸承軸頸底部的接觸應(yīng)力及在相同偏心距和不同間隙條件下止推面上的接觸應(yīng)力。結(jié)果表明,止推面、滾道、軸頸根部是牙掌軸頸應(yīng)力最大的3個危險區(qū)域;軸頸底部的接觸應(yīng)力隨偏心距增大而增大,且在正常公差范圍內(nèi)的間隙變化對接觸應(yīng)力的影響不明顯;止推面上端的接觸應(yīng)力比下端大,制造時應(yīng)加強(qiáng)止推面上端的強(qiáng)度和硬度。

牙輪鉆頭軸承的性能與牙輪鉆頭的壽命密切相關(guān),其主要失效形式之一是粘著磨損。通過對軸承的受力分析,采用在牙輪鉆頭原大軸頸上鑲固定耐磨軸套,并用磁控濺射技術(shù)在軸套上生成tin/tialn復(fù)合涂層的改進(jìn)技術(shù)。經(jīng)臺架試驗證明,該技術(shù)提高了軸承的高承載和抗磨損能力。

為適應(yīng)高轉(zhuǎn)速復(fù)合鉆井的需要,對高速滾動牙輪鉆頭軸承用滾動體新型材料進(jìn)行了力學(xué)性能測試、單元軸承壽命試驗,通過對比分析,發(fā)現(xiàn)優(yōu)選的2種滾動體材料單元軸承壽命指標(biāo)與現(xiàn)用k鋼和國外某公司的h鋼單元軸承壽命指標(biāo)相差較大,h鋼與k鋼具備一定的抗接觸疲勞剝落性能優(yōu)勢,在高轉(zhuǎn)速條件下,都存在一定的應(yīng)用潛力。

通過建立牙齒的簡化破碎坑模型和牙齒微面上的受力模型來模擬牙輪鉆頭與巖石的互作用,由破碎坑半錐角θ和力-壓入系數(shù)k共同反映鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)以及巖石性質(zhì)等因素的綜合影響。根據(jù)現(xiàn)場鉆井?dāng)?shù)據(jù),采用誤差梯度下降算法結(jié)合計算機(jī)仿真技術(shù)來反演這2個模型的參數(shù)值,并使用反演得到的參數(shù)值,進(jìn)行鉆進(jìn)過程的計算機(jī)仿真致效,所得鉆頭的仿真鉆進(jìn)曲線和機(jī)械鉆速與實際鉆井十分吻合。研究結(jié)果表明,基于鉆井?dāng)?shù)據(jù)反演的牙輪鉆頭與巖石互作用仿真方法,可以通過相對簡單的模型求得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。