螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进

童华¹　祝效华^1，2　石昌帅¹

（1.西南石油大学机电工程学院；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室）

　　摘　要：针对螺杆钻具向心推力球轴承寿命短的问题，分析了其载荷特性和服役情况，依据Hertz接触理论，利用有限元数值模拟技术建立了球轴承接触模型，计算了球轴承的应力情况。对承受轴向载荷的圆柱滚子轴承进行了有限元分析，结果表明，在同等条件下圆柱滚子轴承比球轴承的工作应力大幅降低。为此，建议组合使用球轴承和圆柱滚子轴承，以延长螺杆钻具推力轴承的使用寿命；建议螺杆钻具配套使用减振工具或优化BHA及钻井参数，通过减少轴向负载的波动量，延长轴承的疲劳寿命。

　　关键词：螺杆钻具；球轴承；圆柱轴承；工作力学；接触分析；结构改进

　　0　引言

　　自20世纪80年代以来，螺杆钻具在我国有了长足的发展。国产钻具经历了从无到有、从弱到强的过程，在国内市场上占有主导地位，并广泛应用于定向井、水平井和位移井的定向造斜与导向钻进以及直井段的防斜打快钻进中。国产螺杆钻具较好地满足了国内钻井工程的需要，同时近年来有大量出口，并已成为部分国外市场的主流产品。但我国的螺杆钻具整机寿命不长，稳定性也不够高，其中向心推力球轴承是其薄弱环节之一，工作时轴承受几十至几百千牛的轴向载荷，并伴随着强大的冲击力，轴承的工作环境非常恶劣。轴承滚球与滚道往往发生快速磨损，导致轴承失去承载能力，从而影响整机寿命与钻进速度。因此，有必要深入探讨螺杆钻具轴承的工作力学性能并提出相应的改进措施。

　　1　推力轴承的载荷特性和服役情况

　　螺杆钻具向心推力球轴承组有多层，每一层均由内、外圈滚道和滚球组成，外圈与壳体相连，内圈与传动轴相连。工作时，推力轴承主要承受轴向载荷（波动钻压），以常用的φ172mm规格螺杆具为例，其钻压推荐范围为60~150kN（静钻压）。由于钻具振动，近钻头处实际钻压波动值通常为静钻压的25%~50%^[1]，在某些时刻，峰值钻压可以达到静钻压的3.5倍以上^[1]；螺杆钻具推力轴承基本不承受侧向载荷（主要由上、下TC轴承承受），承受小幅值的摩擦扭矩。波动钻压作用于轴承内、外圈，内、外圈上下错动剪切滚球，内、外圈相对转动，滚球在滚道内做纯滚动。推力轴承使用钻井液冷却，钻井液中的化学物质和未过滤掉的岩屑颗粒对轴承产生一定的腐蚀、冲蚀和磨料磨损作用。在剪切、腐蚀、冲蚀和磨料的耦合作用下，推力轴承因接触疲劳产生过量磨损（滚道与滚球的临界磨损值分别是1和0.25mm^[2]）而丧失工作性能，服役后的螺杆钻具向心推力球轴承如图1所示。

　　推力轴承的推荐更换周期为60~80h^[2]。它是螺杆钻具两大短寿命部件之一，也是影响整机寿命的主要部件。

　　2　推力轴承接触有限元分析

　　螺杆钻具推力轴承的使用情况表明，接触应力是影响其使用寿命的主要因素之一，因此应对其进行分析评价，并寻求改进措施。

　　2.1 Hertz接触理论

　　Hertz弹性接触理论是滚动体接触变形、应力计算及承载分析的基础^[3-4]。它可以描述2个具有曲率的物体在外力作用下相互挤压接触的情况。它的主要假设是：相互接触的物体为均质和各向同性的材料；接触形成的压力面应是平坦面，压力面的长短轴线与接触处曲率半径的比值应很小。该理论适用于螺杆钻具推力球轴承的接触分析。

　　接触是边界条件高度非线性的复杂问题，且螺杆钻具推力轴承属于多体接触问题，笔者采用商用有限元软件对其进行模拟。

　　2.2 实体建模与网格划分

　　以φ172mm螺杆钻具推力向心球轴承为研究对象，该推力轴承共有m层（厂家细分系列不同，m值不同，通常为10<m<19），每层轴向负载均等于实际钻压。建立单层实体模型，采用20节点离散三维实体单元划分网格。用设置Lesize数值的方式控制网格划分的疏密，对接触区域进行网格细分，单层推力轴承有限元网格模型如图2所示。

　　2.3 接触参数设置

　　由于接触变形发生后接触区域为面，所以设置接触方式为面-面接触。接触对单元设置为：目标面为滚道面，接触面为滚球球面。采用扩展的拉格朗日乘子法实现法向接触关系^[5]；根据变形体单元的材料特性自动估计缺省的接触刚度值，并在每一载荷步后自动修正；接触模式设置为允许相对滑动的不分离接触；采用高斯点作为接触监测点^[6]，以确保产生更精确的结果；排除初始几何穿透或间隙，迭代计算过程中设置自动控制闭合间隙或减少穿透；时间步长控制设置为下一子步自动预测合理的时间增量。

　　2.4 边界条件与外载

　　轴承外圈底面设置为全约束，设圆球为均一直径且均匀承载，模拟大钻压工况，每个滚球承担10kN轴向载荷，载荷通过内圈顶面向下施加。

　　2.5 计算结果

　　通过CAE软件的后处理分析，得到螺杆钻具向心推力球轴承内、外圈与滚球的接触分析结果。

　　由图3~图5的应力分布可看出，内圈、外圈和滚球的峰值应力依次为1308、1305和1076MPa；峰值应力在滚球和滚道上集中分布，其静安全系数小于2（该型螺杆钻具推力球轴承材料的屈服强度为1920MPa）。

　　在循环载荷的作用下，内圈、外圈和滚球的峰值应力处产生疲劳，大幅接触应力、岩屑磨料、钻井液腐蚀介质三者会引起轴承的快速磨损。

　　3　改进结构的有限元分析

　　疲劳寿命与平均工作应力和因动载荷或循环载荷引起的应力波动幅值成反比。因此，减少平均工作应力和减少应力波动幅值，可以延长轴承的疲劳寿命。通过调整钻井参数及使用减振工具可以减小应力波动幅值；亦可通过调整轴承的结构，减小其工作应力来延长其疲劳寿命。

　　螺杆钻具推力球轴承主要承受剪切载荷，滚球与滚道的接触面积小，其接触应力大。因此，提出使用圆柱滚子轴承代替球轴承的改进思路^[7]。圆柱滚子轴承通常承受径向载荷，此处用于承受轴向载荷，工作时圆柱的上、下端面与轴承内、外圈滚道（平面）接触，接触面积大，其接触应力应有所降低。

　　采用有限元软件对圆柱滚子轴承建模，并采用同样的边界条件和载荷条件进行有限元分析。其有限元网格及应力分析结果见图6和图7。

　　图6、图7中内圈、外圈和圆柱滚子的峰值应力依次为1214、1026和797MPa，相比球轴承，峰值应力分别下降7%、21.4%和26%。由于接触副的接触面积大，所以在同样的动载荷作用下，圆柱滚子的应力波动幅值也会小于圆球滚子。材质、处理工艺和工况相同时，圆柱滚子轴承寿命必然长于圆球滚子轴承。

　　圆柱滚子轴承接触面积大也会带来一定的负面影响，即会增大轴承组的摩擦扭矩。因此，对于螺杆钻具轴承组，推荐球轴承和圆柱滚子轴承组合使用，即部分层使用球轴承，部分层使用圆柱滚子轴承。将球轴承的转动灵活性和圆柱滚子的承载能力相结合，以延长螺杆钻具轴承的使用寿命。

　　4　结论和建议

　　（1）螺杆钻具推力轴承工作时承受动态轴向载荷，滚球和滚道接触面积小，接触应力大，滚球和滚道易发生接触疲劳磨损。有限元分析表明，圆柱滚子轴承的接触面积大，接触应力小，可以延长轴承的工作寿命。

　　（2）为延长螺杆钻具推力轴承的工作寿命，建议采用如下2种措施：①组合使用球轴承和圆柱滚子轴承，降低平均工作应力；②使用减振工具或优化BHA及钻井参数，减少轴承轴向负载的波动量。