浅谈井下动力钻具用多联推力角接触球轴承

　　摘　要：井下动力钻具用多联推力角接触球轴承是一种特殊轴承，一般采用多列串联式结构，用特殊材料制造，具有承载能力大、耐冲击、结构简单、拆装方便、能承受双向载荷等特点。简要介绍了它的结构特点和技术要求，分析了它的负载情况和失效形式。
　　关键词：轴承；角接触；失效形式
　　1　前言
　　井下动力钻具传动节用多联推力角接触球轴承是一种特殊轴承，通常采用多列串联式结构。用特殊材料制造，具有承载能力大、耐冲击、结构简单、拆装方便、并能承受双向轴向载荷等特点。适用于转速低，载荷大，振动剧烈的场合。
　　2　轴承结构
　　多联推力角接触球轴承的结构如图1所示。每列轴承由内圈、外圈和钢球3部分组成。为提高承载能力，一般采用6~10列轴承串联使用。这种轴承与普通轴承不同，它每排滚动体与2个内圈和2个外圈同时接触，即四点接触。为提高轴承的轴向承载能力，轴承的接触角一般选为50~55b。轴承安装时，应使轴承两端面的内外圈分别位于同一平面内，内圈与内圈、外圈与外圈之间分别轴向预紧。工作过程中轴承的内圈和外圈可同时承受一对方向相反的轴向载荷。内圈与外圈之间有2mm左右的间隙，以便在工作过程中通过工作介质保证轴承润滑。 　　多联推力角接触球轴承用标准钢球作滚动体，其大小以及轴承内外圈的结构尺寸依据使用条件设计。图2为轴承结构示意图，其中D、d分别为轴承的外径和内径，D_w为钢球直径，A为轴承的接触角，R为轴承沟道曲率半径，δ为内外圈之间的间隙。 　　中心圆直径dm=（D+d）/2
　　外圈内径d₁=（D+d）/2+δ
　　内圈外径d₂=（D+d）/2-δ
　　外圈滚道曲率中心圆直径d₃=（D+d）/2-2（R-D_w/2）cosα
　　内圈滚道曲率中心圆直径d₄=（D+d）/2+2（R-D_w/2）cosα
　　滚道曲率中心相对轴承端面距离e=（R-D_w/2）sinα
　　3　轴承力学分析
　　多联推力角接触球轴承的受力分析比较复杂，各列球的受力情况属不定问题。为便于分析，可假设将内外圈分别连成一体，在承受单向轴力F的情况下，可以简化如图3所示的力学模型。

图3 轴承力学模型

　　通过材料试验测试和理论分析研究，多联推力角接触球轴承的受力有以下特点：
　　（1）在轴承制造误差很小时，可假设轴承没有制造误差，也就是轴承在不受力的情况下，各列球均与上、下滚道同时接触，即四点接触。由于受内外圈的弹性影响，各列球的受力分配仍是不均匀的。
　　（2）轴承每列球受力大小不同，两端大、中间小。如果所受载荷是稳定的，经过一段时间磨损后，轴承各列球的受力可以达到均匀。事实上，由于工作载荷波动很大，各列球不可能在各种不同载荷下都受力均匀。
　　（3）在采用工作介质泥浆润滑的条件下，较小的轴承制造误差只在较短的时间内对受力有影响，这并不重要。但在油脂润滑条件，必须严格控制轴承的制造精度。
　　（4）理论研究结果表明，通过对轴承进行优化设计，微量调整轴承内外圈的结构尺寸，可以明显改变轴承受力情况，大幅度提高轴承使用寿命。多联推力角接触球轴承使用工况复杂，载荷波动较大，其轴向载荷通常达50~300kN。
　　4　轴承技术要求
　　多联推力角接触球轴承的工作温度一般低于120℃，使用工况恶劣，润滑条件差，要求不仅能承受较大的冲击载荷，而且要有高的耐磨性和良好的接触疲劳强度。为保证上述要求，轴承采用55SiMoVA特殊轴承钢制造，考虑到轴承受力特点，内外圈的热处理硬度应稍低于钢球硬度，轴承淬火回火后的力学性能如下：

　　为尽量使得轴承每列球同时受力和受力趋于均匀，轴承组装前应将内外圈编码，按顺序组装，并在专用装置上对轴承加上一定轴向载荷进行磨合。轴承磨合后可以保证大多数内外圈在使用中同时受力。在包装、运输、装配和检修过程中，不能改变轴承原组装顺序。检修过程发现轴承严重磨损或破碎，应及时更换全套轴承，不能把新旧内外圈和球混装使用，否则会降低轴承使用寿命。
　　5　轴承失效形式
　　多联推力角接触球轴承的工作条件恶劣，载荷波动大，振动剧烈，润滑条件差，常常造成轴承提前失效。其失效形式主要有以下两种：
　　（1）磨损　轴承使用一定时间后，其内外圈及滚动体均会发生不同程度的磨损。在正常磨损阶段，有利于改善轴承受力分布情况，从而提高轴承使用寿命。当磨损超过一定限度时，轴承的轴向游隙增大，影响轴承工作性能，降低工作可靠性，应及时更换新轴承。轴承的磨损主要是润滑条件不良，所受载荷过大引起的。
　　（2）破碎　内外圈破碎是轴承的主要失效形式。受载荷分布的影响，轴承上下两端的内外圈比中间位置更容易破碎。引起轴承内外圈破碎的主要原因有：轴承结构参数设计不合理；工作过程中产生的振击；载荷波动大；过载工作；材料成分偏析；热处理组织晶粒粗大；内外圈硬度过高；钢球尺寸精度低，大小不一，易产生应力集中等。
　　以上是多联推力角接触球轴承的主要失效形式。此外还有锈蚀和剥落等失效形式。为减轻磨损，对轴承采用闭式密封润滑，改善轴承内部的润滑条件。为避免轴承因冲击载荷造成的破碎，常用碟形弹簧等保护装置来缓解冲击载荷，这都是解决轴承失效问题的有效措施。
　　参考文献：
　　[1]刘泽九，贺士荃.滚动轴承的额定负荷与寿命[M].北京：机械工业出版社，1982.
　　[2]雷继尧，丁康.轴承故障诊断[M].西安：西安交通大学出版社，1991.