三牙輪鉆頭軸承的壽命

1潤滑的工作環境三齒輪固定滑動軸的工作比一般滑動軸的工作更特殊。由于受鉆井井眼的限制,鉆頭軸承的尺寸不可能設計得很大,但要破碎巖石鉆進,必須施加很大的鉆壓。因此牙輪鉆頭滑動軸承屬于重載型滑動軸承,除載荷值大以外,其載荷特性也很特殊。由于三牙輪鉆頭在鉆進過程中主要通過牙輪牙齒對井底的刮削和沖擊破碎巖石,而井底材料和形貌是不斷變化的,以及鉆頭切削齒的形狀、大小、分布和數量的影響,軸承承受的是一個隨機的沖擊壓力-接觸疲勞負荷。此外,隨著鉆井進尺的不斷加深,其工作環境溫度不斷升高,當井深達到數千米時,環境溫度經常在100℃以上。這樣軸承摩擦產生的熱量不易散發出去,從而使滑動軸承摩擦副的表面溫度很高,潤滑脂的粘度降低甚至改性,因此軸承的工作溫度是影響軸承運轉的重要因素之一。而且井內一般還含有硫化氫等腐蝕介質使軸承工作條件進一步惡化。總之,三牙輪鉆頭滑動軸承處于重載、隨機的沖擊壓力-接觸疲勞載荷、研磨性介質、高溫和腐蝕的工作環境。對目前密封滑動軸承牙輪鉆頭來說,每個牙輪軸上都有三個軸承,即:大滑動軸承、小滑動軸承和止推軸承。在對軸承系統進行受力分析時,由參考文獻的研究可知:三牙輪軸承小軸徑和止推軸徑承受的載荷很小,其中止推軸承主要起到鎖緊牙輪的作用,三牙輪軸承的大軸徑承受了較大的徑向力和沿軸承的周向摩擦力矩。2牙輪鉆頭軸承失效形式及機理分析為了弄清牙輪鉆頭軸承的主要失效形式和原因,分別對已失效的三牙輪鉆頭軸承進行了解剖分析,主要分析了失效軸承相關部位的失效形式、失效原因和失效機理。2.1斷裂的具體形貌軸承斷裂產生的部位:軸承在滾珠滑道的最小直徑處斷裂。軸承前半部分及滾珠都卡死在牙輪內,四周填滿了壓實的沙石泥漿等物。軸承斷裂的具體形貌如圖1:斷裂端面斷口不是很尖銳。斷口端面中間有一道明顯的脊痕,脊痕兩邊的斷面金屬呈現出波浪狀一層層推進的波紋,這道脊痕兩邊的斷口形貌基本相同。軸承斷裂產生的主要原因:由于軸承所受載荷很大,而且軸承和牙輪之間的配合間隙過大,工作時晃動會使其受力不均,局部所受載荷更大。微觀分析表明軸承斷裂屬典型的疲勞破壞情況。軸承經上下疲勞載荷作用,斷裂從兩邊逐漸匯聚到中間。2.2表面織構與磨損軸承塑性變形產生的部位:主要在磨損比較嚴重軸承的大軸徑承載區域、大軸徑根部和滾珠滑道內。塑性變形的具體形貌:(1)在軸承大軸徑承載區域出現較嚴重的大凹坑,如圖2所示,凹坑最深達0.16mm;(2)根部出現一條較長而深的凹坑,在牙輪的內部同時出現一條材料突起的脊;(3)在磨損較重的一個軸承的滾珠滑道內出現一道弧形突起的痕跡,類似擠壓的痕跡,并伴有明顯的圓形凹坑。塑性變形產生的主要原因:(1)軸承工作時受力不均,局部應力高,溫度高且潤滑不足,使軸承表面的微觀區域發生變性軟化產生嚴重塑性變形凹坑;(2)根部出現凹坑的原因主要是軸承和牙輪間配合間隙過大使牙輪鉆頭工作時產生晃動,根部受力很大,溫度較高,加之密封失效使軸承磨損加重;(3)滾珠滑道內產生塑性變形的原因主要是由于高溫使金屬受到熱的影響,材料性能發生改變,硬度降低,同時,軸承晃動產生偏磨,滾珠擠壓滑道產生圓形凹坑,并滾動擠壓使滑道產生塑性變形,壓出弧形痕跡。2.3堆焊層出現的裂紋軸承堆焊層裂紋產生的部位:在于軸承的堆焊層上。涂層裂紋的具體形貌:在大軸徑承載表面的堆焊層上分布很多細小的裂紋,長度相似基本上成平行狀分布,較明顯的裂紋共有12條,在一定區域內裂紋間距相似。堆焊層出現的裂紋較長且規則,沒有裂紋源及擴展后的尖端,整條裂紋的寬度幾乎一樣,同時裂紋周圍的涂層質地很密,結合也比較好,如圖3所示。產生的主要原因是:由于在加工過程中和新鉆頭軸承上都也出現過這種情況,因此可以推斷,該種裂紋應該在加工時產生而不是在軸承工作以后。軸承采用堆焊后再進行淬火處理的方法,其本體材料與堆焊材料的熱膨脹系數不同會導致兩種材料淬火后產生拉應力而導致裂紋的產生。隨著磨損的加劇,反復碾壓會導致裂紋擴展,在裂紋周圍出現一些細小分支,隨著無數微裂紋的不斷發展、延伸、交錯和匯合,逐漸形成一些較粗的主裂紋,造成堆焊材料的大塊脫落,后果很嚴重。2.4軸承磨損軸承的磨損包括粘著磨損和磨料磨損兩種形式,主要以粘著磨損為主,部分伴有磨料磨損。2.4.1金屬元素和金屬粘連粘著磨損產生的部位:大軸徑表面,主要在大軸徑非承載區域即沒有堆焊涂層的地方。粘著磨損的具體形貌:在磨損表面出現明顯的粘著-拉傷痕跡,有明顯的擦傷和部分劃痕犁溝,金屬粘著后繼續受力產生撕脫并隨后涂抹在材料表面。粘著磨損的主要原因:隨著磨損的加劇,摩擦溫度的升高,潤滑的不足,使軸承表面的微觀區域發生變性軟化,因而產生了局部焊連,當摩擦面發生相對運動時,粘結點在剪應力作用下發生變形、斷裂和材料轉移。當金屬發生粘著,并由于表面滑動而使結點斷裂后,斷裂結點的行為將會繼續影響軸承的摩擦磨損情況。顯然,有的斷裂將會從金屬表面脫落而變成磨屑,也有的仍然附著在金屬表面上形成微觀的粗糙表面,另外結點斷裂后還可以在外載荷作用下,涂敷在滑動表面上,如圖4所示。2.4.2平行整合的主被動形象磨料磨損產生的部位:軸承大軸徑及止推軸承結合面上。磨料磨損的具體形貌:以明顯的堅硬磨料磨損產生的長且平行的劃痕為主,如圖5所示。磨料磨損的主要原因:密封失效造成巖屑及鉆井液等進入軸承系統產生磨料磨損,在軸承表面形成明顯劃痕。結合面上磨料越多、溫度越高、磨損越嚴重。當磨屑隨潤滑脂進入軸承滑動界面時,會使潤滑脂失效導致磨損更加嚴重。較硬的磨粒會嚴重劃傷軸承表面,甚至從摩擦表面上切削下小磨屑來。2.5密封壽命依賴于密封的壽命鉆頭軸承密封的功能在于分隔軸承和井底鉆井液,不讓井底鉆井液、巖屑及其它物質進入軸承,保持軸承潤滑劑不泄漏。失效的密封圈因受熱老化變形呈現不規則的圓形,表面有很多嚴重的裂紋,還有許多磨料磨損產生的劃痕。在磨損嚴重的軸承中,密封圈磨損變形也非常嚴重,嚴重時軸承密封圈發生斷裂,而密封圈完好的軸承,其磨損很輕,所以軸承的壽命在很大程度上依賴于密封的壽命。當密封不良或儲油系統失效時,軸承就會在缺少或沒有潤滑脂而充滿鉆井液的環境中工作,導致快速失效。因此,牙輪鉆頭滑動軸承的密封儲油系統是保證軸承工作壽命的重要環節,應得到充分重視。3結論(1)三臂旋轉螺母的主要缺陷如下斷裂、塑性變形和磨損。(2)失敗的主要原因如下軸承密封圈的密封性能和使用