三牙轮钻头轴承的寿命

三牙轮钻头轴承的寿命

1润滑的工作环境三齿轮固定滑动轴的工作比一般滑动轴的工作更特殊。由于受钻井井眼的限制,钻头轴承的尺寸不可能设计得很大,但要破碎岩石钻进,必须施加很大的钻压。因此牙轮钻头滑动轴承属于重载型滑动轴承,除载荷值大以外,其载荷特性也很特殊。由于三牙轮钻头在钻进过程中主要通过牙轮牙齿对井底的刮削和冲击破碎岩石,而井底材料和形貌是不断变化的,以及钻头切削齿的形状、大小、分布和数量的影响,轴承承受的是一个随机的冲击压力-接触疲劳负荷。此外,随着钻井进尺的不断加深,其工作环境温度不断升高,当井深达到数千米时,环境温度经常在100℃以上。这样轴承摩擦产生的热量不易散发出去,从而使滑动轴承摩擦副的表面温度很高,润滑脂的粘度降低甚至改性,因此轴承的工作温度是影响轴承运转的重要因素之一。而且井内一般还含有硫化氢等腐蚀介质使轴承工作条件进一步恶化。总之,三牙轮钻头滑动轴承处于重载、随机的冲击压力-接触疲劳载荷、研磨性介质、高温和腐蚀的工作环境。对目前密封滑动轴承牙轮钻头来说,每个牙轮轴上都有三个轴承,即:大滑动轴承、小滑动轴承和止推轴承。在对轴承系统进行受力分析时,由参考文献的研究可知:三牙轮轴承小轴径和止推轴径承受的载荷很小,其中止推轴承主要起到锁紧牙轮的作用,三牙轮轴承的大轴径承受了较大的径向力和沿轴承的周向摩擦力矩。2牙轮钻头轴承失效形式及机理分析为了弄清牙轮钻头轴承的主要失效形式和原因,分别对已失效的三牙轮钻头轴承进行了解剖分析,主要分析了失效轴承相关部位的失效形式、失效原因和失效机理。2.1断裂的具体形貌轴承断裂产生的部位:轴承在滚珠滑道的最小直径处断裂。轴承前半部分及滚珠都卡死在牙轮内,四周填满了压实的沙石泥浆等物。轴承断裂的具体形貌如图1:断裂端面断口不是很尖锐。断口端面中间有一道明显的脊痕,脊痕两边的断面金属呈现出波浪状一层层推进的波纹,这道脊痕两边的断口形貌基本相同。轴承断裂产生的主要原因:由于轴承所受载荷很大,而且轴承和牙轮之间的配合间隙过大,工作时晃动会使其受力不均,局部所受载荷更大。微观分析表明轴承断裂属典型的疲劳破坏情况。轴承经上下疲劳载荷作用,断裂从两边逐渐汇聚到中间。2.2表面织构与磨损轴承塑性变形产生的部位:主要在磨损比较严重轴承的大轴径承载区域、大轴径根部和滚珠滑道内。塑性变形的具体形貌:(1)在轴承大轴径承载区域出现较严重的大凹坑,如图2所示,凹坑最深达0.16mm;(2)根部出现一条较长而深的凹坑,在牙轮的内部同时出现一条材料突起的脊;(3)在磨损较重的一个轴承的滚珠滑道内出现一道弧形突起的痕迹,类似挤压的痕迹,并伴有明显的圆形凹坑。塑性变形产生的主要原因:(1)轴承工作时受力不均,局部应力高,温度高且润滑不足,使轴承表面的微观区域发生变性软化产生严重塑性变形凹坑;(2)根部出现凹坑的原因主要是轴承和牙轮间配合间隙过大使牙轮钻头工作时产生晃动,根部受力很大,温度较高,加之密封失效使轴承磨损加重;(3)滚珠滑道内产生塑性变形的原因主要是由于高温使金属受到热的影响,材料性能发生改变,硬度降低,同时,轴承晃动产生偏磨,滚珠挤压滑道产生圆形凹坑,并滚动挤压使滑道产生塑性变形,压出弧形痕迹。2.3堆焊层出现的裂纹轴承堆焊层裂纹产生的部位:在于轴承的堆焊层上。涂层裂纹的具体形貌:在大轴径承载表面的堆焊层上分布很多细小的裂纹,长度相似基本上成平行状分布,较明显的裂纹共有12条,在一定区域内裂纹间距相似。堆焊层出现的裂纹较长且规则,没有裂纹源及扩展后的尖端,整条裂纹的宽度几乎一样,同时裂纹周围的涂层质地很密,结合也比较好,如图3所示。产生的主要原因是:由于在加工过程中和新钻头轴承上都也出现过这种情况,因此可以推断,该种裂纹应该在加工时产生而不是在轴承工作以后。轴承采用堆焊后再进行淬火处理的方法,其本体材料与堆焊材料的热膨胀系数不同会导致两种材料淬火后产生拉应力而导致裂纹的产生。随着磨损的加剧,反复碾压会导致裂纹扩展,在裂纹周围出现一些细小分支,随着无数微裂纹的不断发展、延伸、交错和汇合,逐渐形成一些较粗的主裂纹,造成堆焊材料的大块脱落,后果很严重。2.4轴承磨损轴承的磨损包括粘着磨损和磨料磨损两种形式,主要以粘着磨损为主,部分伴有磨料磨损。2.4.1金属元素和金属粘连粘着磨损产生的部位:大轴径表面,主要在大轴径非承载区域即没有堆焊涂层的地方。粘着磨损的具体形貌:在磨损表面出现明显的粘着-拉伤痕迹,有明显的擦伤和部分划痕犁沟,金属粘着后继续受力产生撕脱并随后涂抹在材料表面。粘着磨损的主要原因:随着磨损的加剧,摩擦温度的升高,润滑的不足,使轴承表面的微观区域发生变性软化,因而产生了局部焊连,当摩擦面发生相对运动时,粘结点在剪应力作用下发生变形、断裂和材料转移。当金属发生粘着,并由于表面滑动而使结点断裂后,断裂结点的行为将会继续影响轴承的摩擦磨损情况。显然,有的断裂将会从金属表面脱落而变成磨屑,也有的仍然附着在金属表面上形成微观的粗糙表面,另外结点断裂后还可以在外载荷作用下,涂敷在滑动表面上,如图4所示。2.4.2平行整合的主被动形象磨料磨损产生的部位:轴承大轴径及止推轴承结合面上。磨料磨损的具体形貌:以明显的坚硬磨料磨损产生的长且平行的划痕为主,如图5所示。磨料磨损的主要原因:密封失效造成岩屑及钻井液等进入轴承系统产生磨料磨损,在轴承表面形成明显划痕。结合面上磨料越多、温度越高、磨损越严重。当磨屑随润滑脂进入轴承滑动界面时,会使润滑脂失效导致磨损更加严重。较硬的磨粒会严重划伤轴承表面,甚至从摩擦表面上切削下小磨屑来。2.5密封寿命依赖于密封的寿命钻头轴承密封的功能在于分隔轴承和井底钻井液,不让井底钻井液、岩屑及其它物质进入轴承,保持轴承润滑剂不泄漏。失效的密封圈因受热老化变形呈现不规则的圆形,表面有很多严重的裂纹,还有许多磨料磨损产生的划痕。在磨损严重的轴承中,密封圈磨损变形也非常严重,严重时轴承密封圈发生断裂,而密封圈完好的轴承,其磨损很轻,所以轴承的寿命在很大程度上依赖于密封的寿命。当密封不良或储油系统失效时,轴承就会在缺少或没有润滑脂而充满钻井液的环境中工作,导致快速失效。因此,牙轮钻头滑动轴承的密封储油系统是保证轴承工作寿命的重要环节,应得到充分重视。3结论(1)三臂旋转螺母的主要缺陷如下断裂、塑性变形和磨损。(2)失败的主要原因如下轴承密封圈的密封性能和使用