牙轮钻头圆柱滚子轴承接触力学性质及弹流润滑理论研究

摘要

要加快我国石油天然气的勘探开发速度,提高钻井工程技术的国际竞争能力,提高钻头尤其是牙轮钻头的工作性能和工作寿命十分重要。现阶段应综合应用接触力学、润滑理论等学科的知识,对滚子凸度设计、空心圆柱滚子及其润滑状态等关键问题进行深入研究,进而研制开发长寿命、高转速的滚动轴承牙轮钻头。
　　 本文首先针对Hertz点接触问题的求解方法进行了研究,得到了关于点接触问题精确高效的完全数值算法;从计算速度、计算精度和计算方便性等方面对几种典型算法进行了对比研究,得出了各算法在不同条件下的适用情况;并将完全数值算法应用于牙轮钻头滚动轴承中的全圆弧凸型滚子,分析了其接触参数在不同条件下的变化。然后,采用MSC.Marc有限元软件对迄今常见代表性凸型滚子的应力分布规律和特点进行了分析,提出采用多段变曲率圆弧组合替代Iundberg理论对数凸型的工程化模拟技术,给出了较为合理的圆弧组合数目;分析了空心圆柱滚子及其进行凹端处理后的应力分布规律。结果表明,合理的空心度可减小接触应力的边缘效应,但等效应力在滚子两端的应力集中始终存在;在相同空心度下,等效应力和接触应力随载荷的变化规律不同;且不同载荷作用下,最佳空心度的理论值不同;空心度较大时,滚子内壁等效应力会超过外壁成为危险区域,同时应考虑弯曲应力的影响,避免滚子内壁发生弯曲疲劳断裂;较之普通空心滚子,凹端空心圆柱滚子有效克服了滚子端部的应力集中现象。最后,采用多重网格法对牙轮钻头实心圆柱滚子和空心圆柱滚子的弹流润滑情况进行了分析,通过对无限长滚子线接触弹流润滑问题的研究,揭示了实心圆柱滚子油膜压力和膜厚随载荷参数、速度参数和材料参数的变化规律;空心圆柱滚子空心度的变化会引起速度参数和载荷参数的变化,但并没有引起接触区域中部油膜厚度以及最小膜厚的明显变化;空心度的增加可以降低油膜压力,但合理空心度的选取应考虑其对滚子内壁应力分布的影响。有限长线接触弹流润滑中最大油膜压力和最小膜厚都位于滚子端部,故滚子端部为易破坏部位;滚子中部润滑状况与无限长滚子几乎一致,可按无限长处理;空心度对滚子端部润滑情况的影响与中部相同,由于端部油膜压力大于中部,故二次峰值和最小油膜厚度较之中部都更靠近出口区。本研究成果为国内自主实现滚动轴承牙轮钻头的长寿命和高转速化,乃至为工程实际中广泛存在的重载低速滚子轴承系统工作性能的提高奠定了坚实基础,同时也值得标准或通用滚子轴承、铁路机车、冶金轧机等行业的研究人员借鉴。