井下钻具金刚石止推轴承组振动特性研究*

张 伟 王 瑜 孙健越 张 凯 孔令镕

(中国地质大学(北京)工程技术学院；自然资源部深部地质钻探技术重点实验室)

0 引 言

随着钻探行业的发展，螺杆动力钻具在中深孔中的应用越来越多。在螺杆动力钻具中，止推轴承是连接钻头和钻柱的关键零件，其承受着钻头切削地层和上部钻杆摩擦孔壁所产生并传递过来的振动[1]、高温高压以及较大的轴向载荷[2]，易导致螺杆动力钻具轴承损坏，严重影响钻具的钻进效率和可靠性[3-4]。金刚石轴承具有硬度高、导热性能好、润滑介质适应性强[5]以及自我抛光的能力[6]，十分适用于高温动力钻具轴承[7]。

国内外关于金刚石止推滑动轴承在井下马达中应用的研究主要在材料的改进、介质润滑效果和摩擦副摩擦特性的探索上[8]，在一定程度上延长了金刚石止推滑动轴承作业寿命。通过对止推轴承在实际工作中摩擦面的研究可以发现，摩擦片有崩裂的现象[9]，但在振动方面的研究国内外普遍还保持在钻具整体的尺度上来进行分析[10-17]，没有单独针对动力钻具止推轴承振动的特性进行分析[18]。为此，本文开展了关于金刚石止推轴承组振动特性研究，研究了金刚石止推轴承组的共振频率，分析了各种类型振动信号对于金刚石止推轴承组的影响。研究结果可为金刚石止推轴承的推广、普及以及设计改进提供试验数据支持。

1 纵向振动模型研究

通过对井下钻具的实际工况进行分析可知，钻具的振动主要由钻杆对井壁的摩擦、钻头切削地层以及地层性质的突然变换所产生。井下动力钻具的轴承结构如图1a所示。通过对振动产生的原因以及钻具的结构进行分析，可将钻具结构进行如下简化：①将上端的钻柱和地表上的天车看作固定端；②将“中性点”以上的钻杆看作弹簧1，其弹性系数为k1；③将“中性点”以下的钻柱、动力钻具以及轴承组的外圈看作质量为m1的质量块，其钻压用恒力Fh来代替；④止推轴承组中的两组碟簧的作用是使得无论止推轴承受到向上或者向下的力时，都能有一个较大的力来支撑其运作，因此可以将两组碟簧看作一根弹簧，其弹性系数为k2；⑤将止推轴承内圈、中心轴以及钻头看作质量为m2的质量块；⑥将钻头和中心轴看作弹性系数为k3的弹簧3；⑦为了方便分析，将井下马达产生的振动也加到质量块m2上；⑧忽略井壁对钻具的摩擦以及温度对轴承性能的影响。简化钻具模型如图1b所示。

1—动力钻具；2—止推轴承组；3—碟簧；4—输出轴；5、6、7—弹簧。

2 试验装置设计

本试验的目的是对金刚石止推轴承在井下的工作环境进行模拟，主要考虑在振动和旋转两种状态下，分析不同类型、不同频率的振动对止推轴承组的影响。

通过查阅文献以及对振动原理的了解并结合实验室条件，设计了如图2所示的试验装置。该试验装置具有以下3种功能：①该装置能提供不同类型和不同频率的振动信号；②在振动条件下，能保证轴承组的旋转状态；③能模拟钻进地层时产生的振动。

振动信号的输出由电动振动试验系统来完成，其工作原理为：通过振动控制仪RC-3000对振动信号进行收集并稳定地向功率放大器SA-40输出信号，功率放大器将接收到的信号进行放大然后传到振动台体上。

1—旋转输出台；2—轴承支撑筒；3—支撑台夹具；4—支撑台；5—钻杆；6—振动台夹具；7—振动试验台。

根据实验室条件，对模拟试验台进行如下简化：①钻柱在整个试验过程中不旋转，只传递振动信号；②钻头与地层之间的相对转动通过固定钻头、旋转底部夹持花岗岩的外筒来实现；③钻头与轴承组内圈相连、钻柱与轴承组外圈相连，内、外圈相对转动；④轴承组内、外圈之间的压力通过旋转外筒上的螺栓来调节。通过调节外筒的旋转速度以及螺栓的松紧来还原实际的钻进环境，具体如图3所示。

1—钻柱；2—止推轴承组；3—钻头；4—旋转筒体；5—静止部件；6—旋转部件。

3 金刚石止推轴承组振动试验研究

3.1 试验系统信号布置

本试验系统的振动信号由振动控制系统生成，经功率放大器将信号放大传递给振动台实现对金刚石止推轴承组的激振。与此同时，安装在金刚石止推轴承组上的加速度传感器将收集到的振动信号反馈回振动控制系统，实现对振动信号的调整，保证止推轴承组上的振动信号与设置的振动信号一致。此时另设两只传感器用来收集止推轴承组上的响应信号，对收集到的信号进行分析即可了解振动对止推轴承组的影响。

3.2 金刚石止推轴承组共振特性

在一个物理系统的特定频率下，所出现比其他频率振幅更大的振动现象称为共振。在实际的生产生活当中，共振会使机械结构承受更大的变形和应力，甚至破坏零件、缩短机械结构的使用寿命。因此本文首先借助RC-3000振动控制系统将扫频范围设定在10～1 000 Hz之间，应用其内置软件对金刚石止推轴承进行扫频工作，经过其内置的算法得到如图4所示的频谱图。图4中蓝色曲线代表接收到的加速度信号值，黑色曲线代表输出的控制加速度信号值。

图4 金刚石止推轴承组频率-幅值图Fig.4 Frequency-amplitude of diamond thrust bearing pack

在试验中，随着扫频频率的增大，振动台的振幅逐渐减小。当达到某一频率时，噪声明显增大，随着频率的继续增大，噪声和振幅明显减小；当频率达到某一值时，又出现相同的情况。对频谱图进行分析可知，其共振频率在50、90和200 Hz附近。

为了确定具体的共振频率，接下来采用东华DH5922N动态信号测试分析系统，通过锤击法来确定该系统的共振频率，得到如图5所示的频谱图。通过该频谱图可以发现，在0～200 Hz之间，在频率为0、50、90和189 Hz时，振动剧烈。与上面扫频得到的频谱图进行对比可以得出，共振频率为50、90和189 Hz。

图5 轴承-钻杆频谱图Fig.5 Frequency spectrum of bearing-drill pipe

3.3 金刚石止推轴承组振动特性试验研究

在金刚石止推轴承的实际工作中，其振动由多种因素共同影响，包括多种规律以及不规律的振动信号，其振动信号主要为以下3种：①钻具与井底工作面产生的周期性振动信号；②由于钻进地层性质突变而导致的阶跃振动信号；③钻头切削地层而产生的锯齿形振动信号。根据实验室条件，很难模拟出不规律的周期性振动和阶跃振动信号。因此本试验通过RC-3000振动控制系统来分析不旋转状态下的金刚石止推轴承的周期性振动信号响应特征。

由于任何一种周期性函数都可以通过傅里叶变换分解为一系列的简谐振动，所以本文通过简谐振动来代替周期函数，对止推轴承组的振动特性进行研究。目前较为成熟的井下动力钻具为螺杆马达和涡轮钻具，其转速分别在90～150 r/min和400～800 r/min之间。假设其转动一圈产生多次振动，则其振动频率范围可以达到4～90 Hz甚至更高。结合上一小节所得到的3个共振频率，本节将分别分析40～60 Hz和80～100 Hz频率段对轴承性能的影响。由于轴承组内外圈相对转动时的作用关系不易监控，所以本文对静止状态的轴承组特性进行研究。本试验在这两个频率段分别均匀地取5个频率，但是由于仪器存在误差，本试验作用到轴承上的频率值分别为44.9、46.9、50.8、52.7、56.6、82.0、85.9、89.8、91.8和95.7 Hz，试验所得的部分频谱图如图6所示。

图6 简谐振动在40～100 Hz频段内的响应Fig.6 Response of simple harmonic vibration in 40～100 Hz frequency

将图6中各通道在不同频率下的幅值进行统计得到表1。通过分析表1可以发现：在频率范围为40～60 Hz时，轴承组内外圈的幅值相差较小，说明该频率范围内轴承组内外圈的同步性好；在频率范围为80～100 Hz时，轴承组内外圈的幅值相差较大，同步性不好。针对这一问题，接下来通过锤击法对轴承组外圈的共振频率进行测量，得到如图7所示的轴承组内外圈的频谱对比图。从图7可以看出，内、外圈的振动幅值不一样，因此在对止推轴承组进行振动分析时，需要对内、外圈分别进行研究，同时也证明了在第2节的模型建立中将轴承组内外圈分开建模是正确的。

图7 锤击法测量对比止推轴承内外圈频谱图Fig.7 Frequency spectrum of internal and external rings of thrust bearing measured and compared by hammering method

表1 不同频率下金刚石止推轴承组内外圈振动响应Table 1 Vibratory responses of internal and external rings of diamond thrust bearing pack at different frequencies

3.4 模拟钻进情况下振动特性研究

通过紧固振动台夹具上的螺栓实现钻具轴向的固定，旋转外筒带动固定的岩样旋转可实现模拟钻进。试验流程如下：①通过变频器实现对转速的调控，明确变频器频率与电机转速间的转换关系，确定表2中7组测试参数；②在金刚石止推轴承组内圈安装一只加速度传感器测量止推轴承内圈振动响应；③通过手持DH5909动态数据采集仪收集响应信号；④分别对振动信号进行频率范围、周期性分析，通过数据采集仪自带分析软件对信号进行FFT处理，获得平均谱进行分析。

表2 旋转参数对应表Table 2 Corresponding rotation parameters

通过试验测量可得如图8所示的各组数据。对图8进行分析和统计可以得出，在5.12 s内第1～7组的激振次数分别为3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0和6.5次。通过对该数据进行分析可知，在钻进岩石过程中磨削岩层产生的振动存在一定周期性。对每次激振波前后对比可明显看出，每次大激振之前小激振信号较之后激振信号要强，该现象验证了在钻进过程中是大切削和小切削在相互交替进行。

对图8中各时域信号进行FFT分析，这里取第2组和第7组进行分析，得到如图9和图10所示的频谱图。对比两图可以发现，随着转速的提升，频域中幅值小的波峰变密，但整体看来，共振频率附近的振幅较高，转速增高时，高频区域共振被激发。

图8 切削振动信号响应Fig.8 Response of cutting vibration signal

图9 转速为26.7 r/min时的频谱分析图Fig.9 Spectrum analysis at rotary speed of 26.7 r/min

图10 转速为63.7 r/min时的频谱分析图Fig.10 Spectrum analysis at rotary speed of 63.7 r/min

4 结 论

(1)对井下钻具的结构和功能进行分析，建立了金刚石止推轴承组纵向物理模型以及其对应的简化模型。

(2)根据实验室条件，建立了以振动试验仪为基础的振动试验装置，该装置能测量旋转和振动状态下的轴承组各部件的振动响应趋势，并且能模拟井下钻头实际钻进时所产生的振动信号。

(3)通过对轴承组进行扫频试验，得到其共振频率范围，并通过锤击法得到具体共振频率，然后通过试验分析共振频率附近频率段对轴承性能的影响。通过试验可以看出，实际工况中轴承组在40～60 Hz频率段，内外圈振动的同步性较好，但在不同频率下响应幅值相差较大，验证了将止推轴承组的内外圈分开进行分析是正确的。

(4)模拟了实际钻进的振动信号，分析了该振动信号对止推轴承组的响应，验证了PDC钻头在切削过程中存在大切削和小切削的现象。