复杂工况井高速重载牙轮钻头轴承边界润滑及损伤机理研究

针对目前复杂工况井牙轮钻头轴承载荷工况恶劣、轴承损伤及失效情况严重等急需解决的关键问题，通过开展井底环境压力、润滑介质进出口位置、轴承结构、载荷形式等因素对轴承摩擦学行为的影响研究，建立一套非牛顿介质润滑条件下、高温、高速、冲击、重载轴承润滑分析的数学模型。根据牙轮钻头轴承的特殊性，采用理论与实验相结合的方法讨论真实工况下牙轮钻头轴承的润滑边界条件，完成简化条件下模型解析求解及不同工况下的数值求解方法研究。在数学模型及其求解方法研究的基础上，将模拟不同供油环境和不同载荷条件下轴承的实验研究与计算机仿真分析相结合，完成牙轮钻头轴承在不同润滑参数下润滑介质的流动规律、油膜的压力分布、轴承承载能力等性能参数的变化规律研究。通过本项目的研究，探索牙轮钻头润滑边界条件和轴承的摩擦学行为，以及轴承的损伤机理，最后形成一套指导牙轮钻头轴承润滑系统设计的新理论和准则，为钻井工程实践提供参考。

石油是工业的血液，目前在石油勘探开发中，钻井深度越来越大，这就对钻井装备提出了更高的要求。钻井中钻头的使用寿命对于钻井的成本和效益有非常大的影响。目前在石油钻井中使用最多的是牙轮钻头，其关键部件轴承质量的好坏直接影响着钻头的性能和寿命。钻头轴承的工作环境十分恶劣，承受重载、高温高压及冲击振动等，因此钻头轴承的工作寿命与通用滑动轴承相比要短得多，特别是国产牙轮钻头轴承的寿命与国外钻头轴承相比差距较大，严重制约了我国石油钻井效益的提高。由于牙轮钻头轴承的特殊性，不能用一般滑动轴承磨损理论来分析其寿命问题，而只能采用实验的方法来研究滑动轴承的磨损问题。开展牙轮钻头的理论分析并结合实验进行研究，对于提高我国的钻头专用轴承的设计水平，不仅具有重要的理论意义，也具有十分重要的实际意义。. 课题围绕影响牙轮钻头轴承的润滑和结构，通过机械设计、摩擦学、流体力学、计算机等多学科交叉，在开展了高速钻井条件下牙轮钻头专用润滑脂流变特性、浮动套轴承工作机理、浮动套轴承接触有限元分析、浮动套轴承系列单元实验、高速牙轮钻头齿面结构等研究的基础上，通过深入研究，形成了集理论研究和实验研究于一体的高速牙轮钻头研究方法。开展了以下方面的研究工作：. （1）深入整理了深井高温工况下高速牙轮钻头的相关研究开发理论，分析了牙轮钻头润滑脂流变特性，确定了所属流体类型，得到在不同温度下润滑脂名义粘度随剪切速率的变化规律。. （2）建立了动载荷作用下牙轮钻头浮动套轴承的粗糙表面热流体动力润滑数学模型，形成了一套较为系统的牙轮钻头浮动套轴承设计与分析理论体系，解决了国内牙轮钻头浮动套轴承设计缺乏有效理论依据的现状。. （3）采用理论研究与实验相结合的方法，通过深入开展牙轮钻头浮动套轴承工作机理的研究，设计出了一种符合牙轮钻头工况的浮动套轴承，解决了牙轮钻头在高转速下轴承寿命短的问题。. （4）在高速牙轮钻头摩擦磨损等研究的基础上，探讨了轴承磨损规律和载荷之间的关系，研究了钻头寿命和载荷变化之间的关系，为钻头的寿命设计和失效时间的判断提供了参考。. 课题形成了一套牙轮钻头浮动套轴承设计新方法、浮动套轴承工作行为仿真方法、不对称情况下牙轮钻头浮动套轴承偏载效应的解决途径，完善了牙轮钻头的摩擦和润滑理论。