新型牙轮钻头轴承套装配仿真研究

新型牙轮钻头轴承套装配仿真研究

牙轮钻的质量直接影响钻头的速度，钻头轴承的磨损是导致钻头失败的主要原因。因此,提高钻头轴承的寿命是钻头研究中的重要课题之一。对于牙轮钻头的滑动轴承,由于载荷大而接触面积小,再加上边缘效应的存在,接触压力分布很不均匀,使局部接触压力过大而导致轴承早期磨损、失效。为了更有效地改善轴承摩擦副之间的摩擦状况,提高滑动轴承的寿命,项目组提出一种新型结构,即分别在牙轮和轴承上镶1个轴承套。所镶轴承套摩擦表面分别镀有不同的耐磨镀层,使主轴颈达到最佳的摩擦副优化配对和满意的工作性能,轴承套与牙轮、轴承之间通过过盈配合定位,从而使牙轮与轴承之间的滑动摩擦运动转换成轴承套之间的滑动摩擦运动,很大程度上提高了轴承和牙轮钻头的寿命。1牙轮钻头轴承套应力应变特性参考厚壁圆筒的受力分析,牙轮钻头轴承套过盈配合的应力分析可用组合厚壁筒理论来计算。根据弹性力学理论,配合之后2个圆筒接触面上必将产生相互压紧的装配压力,在装配条件下可简化为圆筒套装而成,如图1所示。假设实心圆柱半径为b,外筒(轴承套)的外半径为c,并假设2个实体的材料完全相同,应用厚壁筒轴对称理论可求出这2个实体的径向应力和周向应力。由拉梅公式和过盈量,可求出装配压力p为p=Eδ(c2-b2)/2bc2(1)轴承的径向应力和周向应力分别为σrz=-p,σθz=-p外筒的径向应力和周向应力分别为σrT=b2p(1-c2/r2)/(c2-b2)(2)σθT=-b2p(c2/r2+1)/(c2-b2)(3)式中,E为轴承套的弹性模量;δ为过盈量;r为圆筒半径。弹塑性力学理论认为影响零件强度和寿命的因素主要是等效应力,在此等效应力为σsv=12[(σ1−σ2)2+(σ2−σ3)2+(σ3−σ1)2]−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(4)σsv=12[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2](4)对于轴对称的过盈配合问题,σ1=σθ,σ2=0,σ3=σr;而对于实心轴σsv=p。轴承套的最大等效应力应力发生在内壁,即r=b时。|σr|=|σr|max=p|σθ|=|σθ|max=p(c2+b2)/(c2-b2)此时σsvmax=12[σ2θ+σ2r+(σr−σθ)2]−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(5)σsvmax=12[σθ2+σr2+(σr-σθ)2](5)当过盈量为0.04mm时,根据牙轮钻头轴承加工的实际尺寸,b=25.1mm,c=27.5mm,轴承套的材料为45CrNiMoV,弹性模量为2.14×1011Pa。由式(1)可以求出p=2.847×107Pa。由上述条件和式(5)得轴承套最大等效应力为σsvmax=299.4MPa。由于做了很多假设,例如“完全弹性假设”、“各向同性假设”等,因此基于弹塑性力学理论获得的结论是不能真实地反映实际问题的,这也正是经典力学方法的局限性。2轴承与轴承套过盈配合的分析轴承套与轴承是通过过盈配合来保证的。因此,过盈量大小的选择直接关系到牙轮钻头轴承耐磨效果与使用寿命。分析轴承与轴承套因过盈配合而产生的应力场分布规律,对钻头的几何尺寸设计与强度设计都具有十分重要的意义。对于过盈量的大小,通常是用试验的方法来确定。但试验法的费用高,周期长,其精度又受试验设备及测试技术等多种因素的影响。因此本文采用ANSYS分析软件的参数化语言对过盈量进行分析,从而确定合理的过盈量。2.1几何模型的建立本文采用的建模方法为实体建模方法,建模过程为由底向上建模。模型选取四川石油管理局成都总机械厂的81/2STXXXGK21型三牙轮钻头改造后的轴承套滑动轴承作为原型。为了研究方便,对模型做了适当的简化。建模的基本过程为:根据图纸的尺寸要求,在ANSYS中建立圆柱和圆筒模型,然后利用布尔运算建立实体模型。建立的实体几何模型如图2。2.2几何模型划分建立轴承的实体模型后,进行模型网格划分。在对几何模型划分网格之前,首先应对单元的属性进行定义,单元的属性定义包括单元类型的确定、材料性能和实常数的定义;其次对需要划分单元网格的几何模型赋予相应的单元属性;最后设定网格划分的密度。为了使滑动轴承的接触有限元计算结果比较精确,本文选择了ANSYS中的SOLID186单元。该单元为ANSYS公司推出的最新单元,可以满足几乎所有的网格划分。扫射网格划分单元如图3。根据滑动轴承的实际生产情况,轴承材料选用20CrNiMo,轴承套材料选用45CrNiMoV,由相关手册定义轴承套单元的弹性模量为2.14×1011Pa,泊松比为0.29,轴承的弹性模量为2.08×1011Pa,泊松比为0.295。2.3基于anasis的接触状态设置程序。u牙轮钻头轴承套的接触单元采用直接生成法,即通过使用APDL命令定义接触单元。目标单元为target170,接触单元为contact174。在有限元分析中,过盈配合是一种典型的非线性接触行为,正确地设置过盈配合主要分3个步骤。1)设置KEYOPT(9)=4程序在计算初始接触状态时只考虑CNOF的设置值,不考虑接触部件的几何位置造成的侵入或间隙,而且过盈量是以ramp方式施加的。2)设置Icont实常数在划分网格后,目标单元和接触单元之间会有间隙或者过盈量,如果间隙或者过盈量在Icont设定误差范围内,间隙或者过盈量会被自动消除掉,程序会使contactsurface和targetsurface上的单元处于刚好接触的状态。通过参考ANSYS的帮助文档,本文中Icont实常数设置为0.25。3)设置CNOF实常数值在第2步中,通过设置Icont实常数值已经使得contactsurface上的单元和targetsurface上面的单元处于刚好接触的位置,此时再设置CNOF的值就相当于设置过盈量的大小。根据牙轮钻头滑动轴承的实际工作条件,分别对轴承和轴承套施加边界条件;对滑动轴承的下底面施加约束条件。2.4过盈量对轴承套应力的影响如图4所示为过盈量为0.04mm时轴承套与滑动轴承静态配合时应力分布云图。由图4可以看出,轴承套应力集中较大的地方主要出现在底部油孔边缘处,并向四周递减,但最大值出现的网格不多。在过盈量为0.04mm时,大部分区域处于低应力水平,轴承套未出现塑性变形。表1为不同过盈量下轴承套上最大VonMises应力值。由表1可以看出,随着过盈量的增大,轴承套上最大VonMises应力值也是逐渐增加的;过盈量<0.03mm时,应力值<842MPa,轴承套上大多数区域都处于弹性应变状态;过盈量在0.03~0.05mm时,应力值在842~1400MPa,轴承套上只有少数区域处于塑性变形状态,例如轴承套底部油孔处,而大多数区域处于弹性变形状态,不影响轴承套整体强度;而当过盈量>0.05mm时,塑性变形的网格增大很多,轴承套油孔边缘最严重,VonMises应力甚至达到了2000MPa,已超出材料的许用应力。在对牙轮钻头轴承套和轴承的过盈配合进行有限元分析后,得到了不同过盈量下的装配应力的分布规律。通过对结果的分析可以得出3个结论:1)当配合过盈量<0.03mm时,所产生的装配应力很小,在滑动轴承工作过程中轴承套会产生滑动,不利于轴承套的固定。2)当配合过盈量在0.03~0.05mm时,与过盈量<0.03mm时相比,轴承套局部区域产生了塑性变形,但在油孔的对称面区域仍处于弹性变形,总体处于弹塑性共存的状态,有利于轴承套的固定。3)当配合过盈量>0.05mm时,轴承套上局部区域Mises应力将达到材料的屈服极限,此时轴承套油孔边缘处易出现裂纹。因此过盈量不能太大,否则会影响轴承套的承载潜力,也会影响轴承套上耐磨层的耐磨性能,不利于整个滑动轴承寿命的提高。3牙轮钻头台架试验利用电磁加热将轴承套加热到约160℃,用紫铜板、铜棒等工具轻轻敲击,协助将轴承套安装在滑动轴承上,然后在牙轮钻头台架上进行标准试验。开始试验时钻头钻压从0慢慢加至80kN,转速从0慢慢加至40r/min,3h5min后逐渐加压,经6h25min后井底跑合试验至井底形成。检查发现:牙轮外排齿圈断齿1粒,其他无异常。根据试验要求作不同阶段试验,每小时检查1次钻头。试验至26h25min,停机检查发现:1#~3#牙轮转动灵活、无新的断齿;继续以160kN钻压、100r/min转速,试验至78h35min时因发现钻头转动声音异常而停机。检查发现:2#牙轮轴向有轻微间隙,转动牙轮能清晰听见锁紧轴承声音,同时2排齿圈断齿5粒;1#、3#牙轮轴承转动灵活,无间隙,也无新的断齿;3个牙轮轮体磨损较大,轮背齿破损较多。根据试验要求结束试验。通过对轴承套进行试验后可以看出轴承套装配是完好的,如图6是在牙轮钻头台架上进行标准试验后的滑动轴承,试验完全符合密封滑动保径钻头轴承性能试验的评定标准,即轴承性能试验是合格的。轴承结构改进和所采用的过盈配合尺寸是完全符合牙轮钻头设计要求的。4限元分析软件在牙轮钻头设计中的应用1)通过ANSYS仿真研究和上述理论分析结果,得出新型牙轮钻头轴承轴承套装配过盈量选取0.03~0.05mm较为合理。2)利用有限