边界条件与内外间隙对牙轮钻头浮动套轴承承载能力的影响

浮动套轴承将原滑动轴承一份为二，降低了相对滑动速度，将其引入牙轮钻头从理论上可以有效提高钻头转速、延长钻头寿命，有利于提高钻井速度、降低钻井成本。但由于牙轮钻头的特殊性，其润滑边界条件和结构都不同于普通滑动轴承，需要建立一套有效的设计理论。本课题将通过开展井底环境压力、润滑介质进出口位置、轴承结构等因素对浮动套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浮动套轴承润滑分析的数学模型。采用理论与实验相结合的方法探索牙轮钻头轴承的润滑边界条件，完成简化条件下数学模型的建立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结构浮动套轴承的实验研究与计算机仿真分析相结合，完成牙轮钻头浮动套轴承在不同间隙变化时润滑介质的流动规律、承载能力的变化规律研究，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。

如何提高牙轮钻头浮动套轴承的工作性能，延长其在低速重载下的使用寿命，是目前钻井工程领域急需解决的问题之一。由于牙轮钻头轴承结构条件下润滑介质由轴颈进入浮动套轴承内圈，使得内圈润滑较为充分，而外圈工作在乏油状态，所以浮动套轴承的使用寿命相对较短，因此掌握内圈供油条件下，浮动套轴承环境压力、润滑脂入口及出口位置、浮动套尺寸、间隙、表面结构等因素对内外油膜压力分布、油膜厚度、承载能力的影响规律，将对提高浮动套轴承的使用寿命意义重大。本课题主要开展了以下几个方面的研究工作：.（1）通过对普通滑动轴承边界条件的适用环境及对润滑状态影响的分析，考虑牙轮钻头浮动套滑动轴承结构及载荷的特殊性，完成了牙轮钻头径向滑动轴承和浮动封套轴承在轴向、周向的润滑边界变化规律的研究；.（2）通过对RB型牙轮钻头轴承专用润滑脂的流变性研究，分析了非牛顿介质在流变模型下对牙轮钻头浮动套轴承润滑效果的影响；.（3）在一定的假设条件下，借助非牛顿润滑粗糙表面的平均流量Reynolds方程，建立了浮动套轴承润滑分析的数学模型，找到了浮动套尺寸、结构和间隙比变化对浮动套轴承内外油膜压力分布、润滑介质流动规律、轴承承载能力的影响；.（4）根据非牛顿介质润滑的等效粘度理论，建立了稳态层流非牛顿介质润滑下牙轮钻头浮动套轴承摩擦学性能分析的数学模型；.（5）在已建立非牛顿介质润滑下牙轮钻头浮动套轴承数值计算模型的基础上，完成了不同间隙比对内外油膜压力分布规律的研究、特殊边界条件下不同间隙比对浮动套轴承摩擦系数影响的研究；.（6）基于表面织构技术在润滑、减摩方面的研究进展，建立了圆柱形表面织构浮动套轴承摩擦学性能的数学模型，从结构设计方面为改进浮动套轴承的润滑提供了理论基础和技术手段；.（7）根据牙轮钻头轴承的实际工况，建立了等效实验工况下浮动套轴承表面织构参数对其润滑性能影响的单元实验方案。.本课题的研究主要取得了以下成果：发表1篇SCI、3篇EI、国内核心期刊2篇，出版《浮动套轴承工作机理》专著1本，授权实用新型专利2项；培养硕、博士研究生共5名，其中硕士4名，已毕业2名，在读博士1名；应邀参加国内外学术会议2次。以上研究成果为提高浮动套轴承的使用寿命和应用前景提供了技术支持，将进一步推动我国钻井新技术的发展.降低钻井成本，增强我国新型牙轮钻头轴承在国际市场的竞争力。