螺杆钻具用新型推力球轴承的设计及力学分析

许庆刚，孙璇甍，张继升

（1.长城钻探工程有限公司委内瑞拉综合项目部，辽宁　盘锦　124000；2.北京铁路局北京工务段，北京　100077；3.中国石油西南油气田分公司蜀南气矿工艺研究院，四川　泸州　646000）

螺杆钻具用新型推力球轴承的设计及力学分析

许庆刚1，孙璇甍2，张继升3

（1.长城钻探工程有限公司委内瑞拉综合项目部，辽宁盘锦124000；2.北京铁路局北京工务段，北京100077；3.中国石油西南油气田分公司蜀南气矿工艺研究院，四川泸州646000）

推力轴承组是螺杆钻具传动轴总成中的薄弱环节之一，它直接影响着螺杆钻具的使用寿命。在传统四点接触球轴承的基础上设计了一种新型推力球轴承。并利用有限元软件对设计的推力球轴承进行了力学分析，研究了轴向载荷、滚珠直径和滚道曲率半径对其力学性能的影响。结果发现，与常规的四点接触球轴承相比，改进后的推力球轴承较的应力更小。其中，滚珠的等效应力和接触应力随轴向载荷和滚道曲率半径的增大而增大，随着滚珠直径的增大而减小，且均成非线性规律变化。

螺杆钻具；推力球轴承；有限元；力学性能

0　引言

螺杆钻具的传动轴总成主要由主轴壳体、传动轴、推力轴承组、径向滑动轴承和其他辅助零件等组成。其中的推力轴承组为多级串联的四点接触球轴承，一般为5～13级，这种轴承能够承受较大的轴向载荷，占用空间小，结构紧凑，而且可以承受双向载荷［1］。由于井底恶劣的工作环境，经常发生过早的失效，如滚珠和滚道的磨损、破裂等，缩短了整个螺杆钻具的使用寿命，影响了钻进速度。如2005～2006年间长庆石油勘探局西川石油工具厂修理的178套螺杆钻具中，因推力轴承、传动轴和传动轴壳体损坏的有102套，约占螺杆钻具损坏成因的57%，其中寿命不超过60h的绝大部分问题都出在传动轴上［2］。长庆油田勘探局钻井二处统计螺杆钻具137套，其中报废58套，修复79套，由于推力轴承损坏的29套，占失效总数的21.2%［3］。因而本文对螺杆钻具用的四点接触推力球轴承进行了结构改进，设计了一种新型推力球轴承，并对其力学性能进行了分析。

1　推力球轴承组的设计

图1为本文设计的螺杆钻具用推力球轴承组。这种推力球轴承结构与普通推力球轴承的结构基本相同，它主要由轴承外圈、内圈、滚珠和套筒等组成，在这种推力轴承组中，钻井液通道呈“迷宫式”结构，相对于“直通式”结构其冷却效果更好，而且不容易产生径向力。

2　有限元计算模型

为了研究改进后推力球轴承的力学性能，在有限元软件中建立了推力球轴承的力学模型，每组轴承的滚珠数为17，滚珠直径为19 mm，内外圈的滚道曲率半径均为10 mm。轴承材料为55SiMoVA钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。采用8节点线型六面体单元C3D8R对模型进行网格划分，划分网格后的有限元模型如图2所示。对接触部位的网格进行细化，使其能够更好地捕捉到接触状态的变化，进而保证有限元仿真结果的准确性。

模型的下端为推力轴承的内圈，上端为推力轴承的外圈。根据推力轴承的承载工况，对轴承内圈的底面施加固定约束，对内圈的内圆柱面和外圈的外圆柱面施加除螺杆轴向方向以外的所有约束。当钻压为100kN时，求得轴向载荷为31kN，在轴承外圈的上表面施加相当的均布载荷。

图1　常规推力球轴承组结构Fig.1 Conventional thrust ball bearing group structure

图2　推力球轴承有限元模型Fig.2 Finite element model of thrust ball bearing

3　推力球轴承的力学分析

图3为推力球轴承中，滚珠与轴承内外圈的接触应力云图。从图中可以看出，滚珠的接触应力呈椭圆形分布，且长轴较长。滚珠的最大接触应力为2.11GPa，小于文献［4］中四点球轴承的最大接触应力2.768GPa，说明了对推力球轴承进行改进后，其疲劳寿命更长，因而这种结构设计较为合理。

图3　轴承的接触应力云图Fig.3 Contact stress nephogram of bearing

3.1轴向载荷的影响

图4为滚珠的最大等效应力和接触应力随轴向载荷的变化曲线。由图可知，滚珠的接触应力大于其等效应力，两种应力随轴向载荷的增大而增大，但是均呈现出非线性规律。当轴向载荷小于20kN时，等效应力和接触应力的变化率较大，当载荷超过20kN时，应力的变化率变缓。随着轴向载荷的增大，接触应力和等效应力的差值越来越大。说明，当推力球轴承组承受的轴向载荷突然增大时，会导致滚珠的等效应力和接触应力发生突变，在冲击较为剧烈的工况下，容易造成滚珠的破裂。

图4　滚珠应力随轴向载荷变化曲线Fig.4 Stress of ball with the axial load

3.2滚珠直径

由于螺杆钻具推力球轴承组中的滚珠为满排布置，无轴承保持架，因而滚珠的直径不但影响滚珠的个数，同时对轴承的力学性能也有较大的影响。图5为在相同载荷工况下，滚珠的最大等效应力和最大接触应力随滚珠直径的变化曲线。从图中可以看出，无论是等效应力还是接触应力均随着滚珠直径的增大而减小，但并不完全是线性变化。说明增大滚珠的直径可以改善其受力状态，但并不是越大越好。因为螺杆钻具推力轴承组的结构空间有限，如果滚珠的直径过大，每列中的滚珠数目就会减少，也会降低整个轴承的承载能力，同时也会导致轴承内外圈的结构过于单薄，容易引起套圈的过早断裂，降低轴承的使用寿命。

图5　滚珠应力随直径变化曲线Fig.5 Stress of ball with the diameter of ball

表1　轴承内外圈随滚珠直径变化的应力值Tab.1 Stress of bearing inner ring and outer ring with the ball diameter

表1所示为轴承内、外圈的等效应力与滚珠接触应力的应力极值。从表中可知，无论是轴承内圈还是轴承外圈，其等效应力和接触应力均随着滚珠直径的增大而减小，但都呈现非线性规律变化。无论在何种球径下，轴承外圈的等效应力和接触应力均小于轴承内圈，说明在同种工况下，轴承的外圈比轴承内圈更容易发生失效。

3.3滚道曲率半径

当滚珠的直径为19 mm时，轴承内外圈滚道的曲率半径取不同值时，滚珠的最大等效应力和接触应力如图6所示。由图可知，随着滚道直径的增大，滚珠的最大等效应力和接触应力均增大，但表现出了极大的非线性，当滚道直径小于21.5mm时，滚珠应力值的变化率较大，而当滚珠直径大于21.5mm时，两种应力值的变化逐渐变缓。但是滚道曲率直径的设计并不是越小越好，如果太小，则不能与滚珠相配合，如果过大，则会影响滚珠的受力及动力学性能。

图6　滚珠应力随着滚道直径变化曲线Fig.6 Stress of ball with the rollaway diameter

表2　轴承内外圈随滚道直径变化的应力极值Tab.2 Stress of bearing inner ring and outer ring with the rollaway diameter

表2为不同滚道曲率直径下，轴承内外圈的最大等效应力和最大接触应力。轴承内外圈的等效应力和接触应力均随着滚道曲率直径的增大而增大，但是其变化率越来越小。当沟曲率直径为20mm时，轴承外圈的两种应力值大于轴承内圈，而其他工况下，结果相反。

4　总结

设计了一种新型的推力球轴承结构，并通过有限元软件对其力学性能进行了分析，并研究了轴向载荷、滚珠直径和滚道沟曲率半径对其力学性能的影响得到以下结论：

（1）与传统的四点接触球轴承相比，改进后的推力球轴承的应力状态得到了改善，可以提高轴承组的使用寿命。

（2）改进结构后推力球轴承中滚珠的等效应力和接触应力随轴向载荷的增大而增大，但是均呈现出非线性规律。

（3）滚珠的等效应力和接触应力均随着滚珠直径的增大而减小，随着滚珠直径的增大，滚珠与轴承圈的椭圆形接触斑面积越来越大，且接触斑的椭圆长轴变化较大，而短轴变化较小。

（4）随着滚道曲率半径的增大，滚珠的最大等效应力和接触应力成非线性规律增大。

［1］许福东，华北庄.三种涡轮钻具用滚珠轴承承载能力分析与结构优化［J］.石油矿场机械，2004，5.

［2］文涛.螺杆钻具失效分析［D］.西安:西安石油大学，2008.

［3］童发明，刘社明，李天明等.螺杆钻具失效情况统计分析［J］.石油矿场机械，1998，2.

［4］韩传军，张杰，刘洋，等.螺杆钻具传动轴总成故障树建立及推力轴承应力分析［J］.矿山机械，2012，10.

Structure Improvement and Mechanics Analysis of the Thrust Ball Bearing for PDM

XU Qing-Gang1，SUN Xuan-Meng2，ZHANG Ji-Sheng3
（1.The Great Wall Drilling Engineering Company Limited，Panjin Liaoning 124000，China；2.Railway Service Section，Beijing Railway Administration，Beijing 100077，China；3.Shunan Gas Mine of Southwest Oil and Gas Field Branch，PCL，Luzhou Sichuan 646000，China）

The thrust bearing group is one weak link of PDM（positive displacement motor）drill，which affects the service life of the drilling tool.A new thrust ball bearing group in PDM drill was improved.The mechanics analysis was finished by using finite element software，and the effects of axial load，ball diameter and raceway curvature radius on the mechanical properties of ball bearing were studied.The result shows that the stress of the improved structure is smaller compared with the conventional four-point contact ball bearing.And，the equivalent stress and contact stress of the ball increased with the increase of axial load，raceway curvature radius，and decreased with the increase of ball diameter with a nonlinear law.

PDM；thrust ball bearing；finite element；mechanical properties

TE921.2

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.011

1002-6673（2015）01-032-03

2014-12-18

许庆刚（1965-），男，山东人，工程师。主要从事机械设计及力学分析相关工作。