牙輪鉆頭圓柱滾子軸承接觸力學(xué)性質(zhì)及彈流潤滑理論研究.pdf

1、要加快我國石油天然氣的勘探開發(fā)速度,提高鉆井工程技術(shù)的國際競爭能力,提高鉆頭尤其是牙輪鉆頭的工作性能和工作壽命十分重要?，F(xiàn)階段應(yīng)綜合應(yīng)用接觸力學(xué)、潤滑理論等學(xué)科的知識,對滾子凸度設(shè)計(jì)、空心圓柱滾子及其潤滑狀態(tài)等關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究,進(jìn)而研制開發(fā)長壽命、高轉(zhuǎn)速的滾動(dòng)軸承牙輪鉆頭。
　　 本文首先針對Hertz點(diǎn)接觸問題的求解方法進(jìn)行了研究,得到了關(guān)于點(diǎn)接觸問題精確高效的完全數(shù)值算法;從計(jì)算速度、計(jì)算精度和計(jì)算方便性等方面對幾種典型

2、算法進(jìn)行了對比研究,得出了各算法在不同條件下的適用情況;并將完全數(shù)值算法應(yīng)用于牙輪鉆頭滾動(dòng)軸承中的全圓弧凸型滾子,分析了其接觸參數(shù)在不同條件下的變化。然后,采用MSC.Marc有限元軟件對迄今常見代表性凸型滾子的應(yīng)力分布規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行了分析,提出采用多段變曲率圓弧組合替代Iundberg理論對數(shù)凸型的工程化模擬技術(shù),給出了較為合理的圓弧組合數(shù)目;分析了空心圓柱滾子及其進(jìn)行凹端處理后的應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明,合理的空心度可減小接觸應(yīng)力的邊

3、緣效應(yīng),但等效應(yīng)力在滾子兩端的應(yīng)力集中始終存在;在相同空心度下,等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力隨載荷的變化規(guī)律不同;且不同載荷作用下,最佳空心度的理論值不同;空心度較大時(shí),滾子內(nèi)壁等效應(yīng)力會超過外壁成為危險(xiǎn)區(qū)域,同時(shí)應(yīng)考慮彎曲應(yīng)力的影響,避免滾子內(nèi)壁發(fā)生彎曲疲勞斷裂;較之普通空心滾子,凹端空心圓柱滾子有效克服了滾子端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。最后,采用多重網(wǎng)格法對牙輪鉆頭實(shí)心圓柱滾子和空心圓柱滾子的彈流潤滑情況進(jìn)行了分析,通過對無限長滾子線接觸彈流潤滑問題

4、的研究,揭示了實(shí)心圓柱滾子油膜壓力和膜厚隨載荷參數(shù)、速度參數(shù)和材料參數(shù)的變化規(guī)律;空心圓柱滾子空心度的變化會引起速度參數(shù)和載荷參數(shù)的變化,但并沒有引起接觸區(qū)域中部油膜厚度以及最小膜厚的明顯變化;空心度的增加可以降低油膜壓力,但合理空心度的選取應(yīng)考慮其對滾子內(nèi)壁應(yīng)力分布的影響。有限長線接觸彈流潤滑中最大油膜壓力和最小膜厚都位于滾子端部,故滾子端部為易破壞部位;滾子中部潤滑狀況與無限長滾子幾乎一致,可按無限長處理;空心度對滾子端部潤滑情況的