井下軸承的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向要點分析

所謂的井下軸承指的就是井下動力鉆具所用的軸承，井下動力鉆具主要包括渦輪鉆具和螺桿鉆具，其使用的軸承主要包括推力球軸承、聚晶金剛石（PCD）軸承和徑向硬質(zhì)合金（TC）軸承，并從材料優(yōu)選，結(jié)構(gòu)改進(jìn)，制造工藝的角度分析了井下軸承的關(guān)鍵技術(shù)，探索了未來軸承的發(fā)展方向。

一、止推軸承的發(fā)展現(xiàn)狀：

止推軸承連接上部靜止的鉆桿柱和旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸。動力鉆具在高速工作中，止推軸承狹小的工作面上作用了巨大的軸向荷載和波動的沖擊荷載，導(dǎo)致軸承極易壓潰損壞。另外工作溫度超過100℃，以及泥漿的腐蝕和硬粒的擠壓，均會加速軸承的磨損，對軸承的使用壽命造成影響。目前動力鉆具中應(yīng)用廣泛的止推軸承有推力球軸承和PCD推力軸承。

我國的PCD軸承尚處于研究階段，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）設(shè)計了新型的PCD止推軸承結(jié)構(gòu)，主要由動盤、靜盤、外套、碟簧、底座等組成，如圖1所示。動盤和靜盤上都通過冷鑲的方式鑲嵌了一定數(shù)量的聚晶金剛石復(fù)合片，其中動盤鑲嵌25個，靜盤26個，復(fù)合片數(shù)量不同保證了兩盤復(fù)合片相互錯開，從而避免了復(fù)合片發(fā)生咬合。軸承運(yùn)行過程中，動盤和鉆具轉(zhuǎn)軸固定在一起，并隨之轉(zhuǎn)動；靜盤軸向固定在外套上，外套則和鉆具外殼固定。實驗表明，該種PCD止推軸承振動小，性能穩(wěn)定，有較高的使用壽命。

圖1 PCD軸承

二、井下軸承的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向要點主要有以下幾點：

1、優(yōu)選材料，提高摩擦副的耐磨性

材料的發(fā)展帶動著軸承的發(fā)展，軸承材料的優(yōu)選往往能起到事半功倍的效果。動力鉆具軸承材料需要具有高的表面硬度，高耐磨性，高強(qiáng)度，高剛度和良好的韌性，以及耐高溫和耐腐蝕的能力。目前常用的軸承材料見表1。

表1 推力球軸承材料

除了傳統(tǒng)的軸承合金鋼，還有許多新興的軸承材料，典型的有前文提到的聚晶金剛石（PCD）材料，另外還有陶瓷材料。陶瓷軸承材料主要有氮化硅，氧化鋯，碳化硅3種。陶瓷材料本身具有很多突出的優(yōu)點，如不怕腐蝕，質(zhì)量輕，高耐磨，受力不易變形等，因此陶瓷軸承常應(yīng)用于高精度或特種作業(yè)中。陶瓷軸承應(yīng)用到動力鉆具中，還需要不斷改進(jìn)配方，以提高陶瓷抗疲勞，抗沖擊的能力。

2、改善軸承的接觸條件

止推軸承主要承受旋轉(zhuǎn)摩擦和軸向載荷，這兩種載荷之間相互影響，改善軸承的接觸條件，可以有效降低軸向載荷和摩擦力，提高軸承壽命，如國內(nèi)外已在開發(fā)動壓軸承應(yīng)用于孔下動力鉆具。

動壓軸承是一種建立在流體動壓潤滑理論上的新型軸承，具有高的承載力以及低的摩擦系數(shù)。流體動壓潤滑是指相對運(yùn)動的摩擦表面充滿了潤滑劑，相對運(yùn)動使得潤滑劑具有足夠的壓力支撐起兩個摩擦表面，從而使接觸的摩擦轉(zhuǎn)化為非接觸摩擦，大大減少了摩擦副的磨損和摩擦阻力。動壓油膜能夠提供極高的承載力，可以有效地支承動力鉆具中來自軸向的載荷，而避免磨損。流體在潤滑的過程中不斷帶走熱量，減少高溫對軸承造成的損傷。另外，液體的非接觸摩擦取代接觸摩擦，給動力鉆具的旋轉(zhuǎn)工作帶來更高的穩(wěn)定性。

動壓軸承技術(shù)的關(guān)鍵在于動壓油膜的形成。動壓油膜的形成與轉(zhuǎn)速和流體粘度有關(guān)，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定值時，滑動的摩擦面間才會產(chǎn)生潤滑作用，因此提出啟動轉(zhuǎn)速的問題；粘度過小，滑動面之間容易發(fā)生干接觸，接觸面間的應(yīng)力增大。流體與摩擦面間的粘附作用也需要進(jìn)一步研究。

3、改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)緩沖外載

對軸承或軸承組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)也是提高軸承使用可靠性和壽命的重要手段。最早使用的滾動推力軸承采用油潤滑，但是難以實現(xiàn)良好的密封，因此逐漸改為了采用泥漿潤滑的開式結(jié)構(gòu)，并去除了軸承的內(nèi)外環(huán)。以美國貝克公司為代表的止推軸承采用了充油密封平面滾柱軸承，但是該軸承只適于低速螺桿鉆具。上海石油化工機(jī)械技術(shù)研究所研制的多盤結(jié)合式推力球軸承，改變了軸承的受力狀態(tài)，減少了磨損與毀壞，該軸承在轉(zhuǎn)速＞550r/min的螺桿鉆具中，使用壽命超過100h。ＳＫＦ公司通過調(diào)整軸承各列間的間隙，使各組軸承的受力更為均勻；使用圓柱滾子代替滾珠，大大降低了滾動體的工作應(yīng)力；采用減振裝置，減少了軸向載荷的波動量。

4、改進(jìn)加工制造方法

熱處理工藝是軸承制造的關(guān)鍵。近年來又開發(fā)了軸承表面激光處理技術(shù)，軸承表面經(jīng)激光強(qiáng)化處理后，支撐節(jié)軸承平均使用壽命達(dá)300h，為普通渦輪鉆具支撐節(jié)的2.5倍。在金屬橡膠滑動止推軸承方面，為了提高金屬止推盤的抗磨性，前蘇聯(lián)采用了等離子體強(qiáng)化技術(shù)。等離子體強(qiáng)化技術(shù)可使金屬止推盤和耐磨性提高5~7倍，使零件的翹曲度變形很小，使精加工的工作量變少，有利于組織批量生產(chǎn)。據(jù)1986年以來現(xiàn)場試驗資料統(tǒng)計表明，等離子體強(qiáng)化技術(shù)處理過的金屬橡膠止推軸承的渦輪鉆具，平均使用壽命為371h，比普通渦輪鉆具的檢修周期延長了4.69倍?，F(xiàn)在，該技術(shù)也應(yīng)用到渦輪鉆具徑向扶正軸承金屬套和螺桿鉆具部分摩擦副的強(qiáng)化處理之中。

在軸承的加工制造方面，國內(nèi)與國外雖說有一定的差距。但是目前我國在高端鐵路軸承上已經(jīng)取得了良好的成績，這就是我們對軸承高端制造成果的一個開端，相信不久的將來，我國各個領(lǐng)域中軸承地技術(shù)上都會有一定的突破，從而打造國外的壟斷。對于井下軸承來說，流體動壓潤滑是未來滑動軸承的發(fā)展趨勢，應(yīng)盡快設(shè)計出動力鉆具適用的流體動壓軸承，以提高動力鉆具整體使用可靠性和壽命。

（來源：中華軸承網(wǎng)）

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