新型牙輪鉆頭浮動套軸承工作機理試驗研究

文章分析了牙輪鉆頭滑動軸承接觸力學性質的影響因素。在marshek和chen提出的理論基礎上,對接觸問題中的系數(shù)矩陣和間隙函數(shù)進行修正,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)接觸的應力,并推導了間隙—接觸應力的一般表達式。

通過建立新型單金屬浮動密封有限元模型,對比分析了不同結構的支撐橡膠環(huán)和容槽對密封面接觸壓力大小和分布的影響,分析結果說明改進支撐橡膠環(huán)和容槽結構參數(shù)對提高密封性能作用顯著;采用寬端外徑大于窄端外徑的靜環(huán),對增加動密封接觸面積、降低接觸壓力、改善動密封面接觸力分布作用明顯。最后指出在靜環(huán)密封面上開出參數(shù)適合的斜面能有效改善動密封面接觸壓力的分布狀態(tài),不但使接觸壓力分布更為均勻,而且能使最大接觸壓力出現(xiàn)在潤滑脂一側,有效地降低動密封面的磨損。

牙輪鉆頭軸承的性能與牙輪鉆頭的壽命密切相關,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,并用磁控濺射技術在軸套上生成tin/tialn復合涂層的改進技術。經臺架試驗證明,該技術提高了軸承的高承載和抗磨損能力。

應用彈性力學理論對新型牙輪鉆頭的軸承套過盈配合進行受力分析,指出該方法具有局限性。采用ansys有限元分析軟件和接觸問題的有限元法,對新型牙輪鉆頭軸承套的裝配進行仿真研究,確定了裝配過盈量的最佳值。通過試驗驗證了理論分析的正確性和結構改進的可行性。

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

從牙輪鉆頭的常規(guī)保徑結構在現(xiàn)代鉆井條件下存在的問題出發(fā),指出了研究開發(fā)新型保徑結構的必要性,綜述了國內外牙輪鉆頭保徑結構的發(fā)展動態(tài),強調了研究和應用具有主動切削功能的保徑結構對牙輪鉆頭的重要性。

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

牙輪鉆頭簡介

牙輪鉆頭詳解

本文著重討論了牙輪鉆頭軸承用o型橡膠密封圈的配方設計,包括膠種和各種配合劑的選擇。

牙輪鉆頭分類

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沖擊碰撞作用,存在牙齒與巖石交替壓入、刮切和滾動的運動狀態(tài),受力情況相當復雜?；趲r石彈塑性本構關系和等效塑性應變的巖石破壞準則,考慮井底圍壓以及鉆頭與巖石互作用隨機接觸碰撞,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)非線性動力學模型。探討了牙輪鉆頭在破碎井底巖石過程中的運動規(guī)律及力學性能,對巖石破碎坑的形成過程進行了仿真,為有效預測和控制井眼軌跡的形成,實態(tài)工況下整體鉆柱系統(tǒng)耦合非線性動力學研究提供了理論依據(jù)。

井眼形成是通過鉆頭牙齒破碎巖石形成巖屑來實現(xiàn)的,對鉆頭牙齒侵入破巖機理的認識有助于優(yōu)化鉆頭結構,提高工具破巖效率。闡述了鉆頭牙齒與巖石相互作用機理的復雜性,分別從彈性力學、裂紋擴展、數(shù)值模擬等幾個方面,綜述了鉆頭牙齒與巖石相互作用機理的研究進展,指出了今后的研究重點。雖然前人開展了眾多的物理實驗與數(shù)值模擬研究,但是由于鉆頭牙齒破巖過程及井底環(huán)境的復雜性,目前為止其機理并沒有被完全認識清楚。理論與實驗研究證明,井底壓力是影響機械鉆速的重要因素之一,針對鉆頭牙齒與巖石相互作用機理的復雜性,建議采用先進實驗和數(shù)值模擬技術,將物理實驗和數(shù)值模擬結合開展研究,揭示井底復雜應力環(huán)境下鉆頭牙齒的破巖機理將成為未來的研究重點。

對礦用牙輪鉆頭用鋼20crnimo制定了不同的滲碳表面含碳量和淬火硬度,分別與不同淬火硬度下的滾柱材料55simov鋼進行滾動磨損試驗。正交試驗得出了影響耐磨性的主次因素和優(yōu)化的熱處理技術指標,并分析了試樣表面磨損形貌。結果表明,影響摩擦副耐磨性的主次關系依次為:55simov淬火硬度,20crnimo淬火硬度,20crnimo表面碳含量;最佳熱處理指標為:20crnimo表面碳含量和淬火硬度分別為0.85%和61.3hrc,55simov淬火為硬度59.9hrc。依此,提出了實際的應用熱處理技術指標范圍。

針對目前牙輪鉆頭因軸承耐磨性差、壽命短而不能適應高速鉆井需要的問題,應用表面工程技術和摩擦學的相關理論,開展了牙輪鉆頭滑動軸承表面強化工藝和材料的系列實驗研究,并測試其性能。進行了組織結構分析和耐磨性、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、組織結構致密、缺陷少、涂層與基體材料的結合強度高,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。

針對現(xiàn)有牙輪(鋼齒、鑲齒)鉆頭已難以對一些復雜地層進行有效鉆進這一現(xiàn)狀,根據(jù)對牙輪鉆頭破巖機理的新認識,研制了一種新型復合齒形牙輪鉆頭。該新型鉆頭是一種具有新型齒面結構的牙輪鉆頭,其牙輪上的牙齒由齒形齒和盤式齒復合而構成,并且各牙輪上齒形齒和盤式齒的布置方式可根據(jù)硬地層等復雜地層的特性和鉆井要求進行調整。兩種齒對巖石的破碎作用將會互相影響,使得破碎巖石更加容易。為此,概述了國內外在復合齒形牙輪鉆頭方面所做的研究工作,并詳細分析了這種新型鉆頭的結構特點和破巖機理,指出要研制出具有良好性能的復合齒形牙輪鉆頭,主要應從破巖機理、布齒方法與齒面結構、齒面強化工藝、鉆頭整體性能臺架試驗及復合齒形牙輪鉆頭結構設計等方面進行深入研究。

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、低轉速下（鉆壓10～30 ｋn，轉速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速的設計值。 （6）做好鉆還試驗，即固定鉆壓，改變轉速，或固定轉速， 改變鉆壓，使鉆壓和轉速合理匹配，達到高鉆速鉆進。 （7）鉆進中應盡量提高泵壓，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 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生 的工具，所以實用性非常的高。今天小編就重點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 質可分為鋼齒（銑齒）和鑲齒牙輪鉆頭。國內外使用最多、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

三牙輪鉆頭是應用最廣泛的鉆井鉆頭（www.***.***）之一，具有適應 地層廣，機械鉆速高的特點。三牙輪鉆頭由切削結構、軸承結構、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的作用下，牙齒壓碎并吃入巖石，同時產 生一定的滑動而剪切巖石。當牙輪在井底滾動時，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] 產品優(yōu)勢 石油鉆井和地質鉆探中應用最多的還是牙輪鉆頭。牙輪鉆頭在旋轉時 具有沖

根據(jù)偏心單牙輪鉆頭的幾何結構和受載特點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力。針對偏心單牙輪鉆頭的不同偏心距和軸承間隙,重點分析了大徑向軸承軸頸底部的接觸應力及在相同偏心距和不同間隙條件下止推面上的接觸應力。結果表明,止推面、滾道、軸頸根部是牙掌軸頸應力最大的3個危險區(qū)域;軸頸底部的接觸應力隨偏心距增大而增大,且在正常公差范圍內的間隙變化對接觸應力的影響不明顯;止推面上端的接觸應力比下端大,制造時應加強止推面上端的強度和硬度。