新型牙輪鉆頭軸承套裝配仿真研究

新型牙輪鉆頭軸承套裝配仿真研究

牙輪鉆的質量直接影響鉆頭的速度，鉆頭軸承的磨損是導致鉆頭失敗的主要原因。因此,提高鉆頭軸承的壽命是鉆頭研究中的重要課題之一。對于牙輪鉆頭的滑動軸承,由于載荷大而接觸面積小,再加上邊緣效應的存在,接觸壓力分布很不均勻,使局部接觸壓力過大而導致軸承早期磨損、失效。為了更有效地改善軸承摩擦副之間的摩擦狀況,提高滑動軸承的壽命,項目組提出一種新型結構,即分別在牙輪和軸承上鑲1個軸承套。所鑲軸承套摩擦表面分別鍍有不同的耐磨鍍層,使主軸頸達到最佳的摩擦副優(yōu)化配對和滿意的工作性能,軸承套與牙輪、軸承之間通過過盈配合定位,從而使牙輪與軸承之間的滑動摩擦運動轉換成軸承套之間的滑動摩擦運動,很大程度上提高了軸承和牙輪鉆頭的壽命。1牙輪鉆頭軸承套應力應變特性參考厚壁圓筒的受力分析,牙輪鉆頭軸承套過盈配合的應力分析可用組合厚壁筒理論來計算。根據彈性力學理論,配合之后2個圓筒接觸面上必將產生相互壓緊的裝配壓力,在裝配條件下可簡化為圓筒套裝而成,如圖1所示。假設實心圓柱半徑為b,外筒(軸承套)的外半徑為c,并假設2個實體的材料完全相同,應用厚壁筒軸對稱理論可求出這2個實體的徑向應力和周向應力。由拉梅公式和過盈量,可求出裝配壓力p為p=Eδ(c2-b2)/2bc2(1)軸承的徑向應力和周向應力分別為σrz=-p,σθz=-p外筒的徑向應力和周向應力分別為σrT=b2p(1-c2/r2)/(c2-b2)(2)σθT=-b2p(c2/r2+1)/(c2-b2)(3)式中,E為軸承套的彈性模量;δ為過盈量;r為圓筒半徑。彈塑性力學理論認為影響零件強度和壽命的因素主要是等效應力,在此等效應力為σsv=12[(σ1?σ2)2+(σ2?σ3)2+(σ3?σ1)2]???????????????????????????????√(4)σsv=12[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2](4)對于軸對稱的過盈配合問題,σ1=σθ,σ2=0,σ3=σr;而對于實心軸σsv=p。軸承套的最大等效應力應力發(fā)生在內壁,即r=b時。|σr|=|σr|max=p|σθ|=|σθ|max=p(c2+b2)/(c2-b2)此時σsvmax=12[σ2θ+σ2r+(σr?σθ)2]??????????????????√(5)σsvmax=12[σθ2+σr2+(σr-σθ)2](5)當過盈量為0.04mm時,根據牙輪鉆頭軸承加工的實際尺寸,b=25.1mm,c=27.5mm,軸承套的材料為45CrNiMoV,彈性模量為2.14×1011Pa。由式(1)可以求出p=2.847×107Pa。由上述條件和式(5)得軸承套最大等效應力為σsvmax=299.4MPa。由于做了很多假設,例如“完全彈性假設”、“各向同性假設”等,因此基于彈塑性力學理論獲得的結論是不能真實地反映實際問題的,這也正是經典力學方法的局限性。2軸承與軸承套過盈配合的分析軸承套與軸承是通過過盈配合來保證的。因此,過盈量大小的選擇直接關系到牙輪鉆頭軸承耐磨效果與使用壽命。分析軸承與軸承套因過盈配合而產生的應力場分布規(guī)律,對鉆頭的幾何尺寸設計與強度設計都具有十分重要的意義。對于過盈量的大小,通常是用試驗的方法來確定。但試驗法的費用高,周期長,其精度又受試驗設備及測試技術等多種因素的影響。因此本文采用ANSYS分析軟件的參數化語言對過盈量進行分析,從而確定合理的過盈量。2.1幾何模型的建立本文采用的建模方法為實體建模方法,建模過程為由底向上建模。模型選取四川石油管理局成都總機械廠的81/2STXXXGK21型三牙輪鉆頭改造后的軸承套滑動軸承作為原型。為了研究方便,對模型做了適當的簡化。建模的基本過程為:根據圖紙的尺寸要求,在ANSYS中建立圓柱和圓筒模型,然后利用布爾運算建立實體模型。建立的實體幾何模型如圖2。2.2幾何模型劃分建立軸承的實體模型后,進行模型網格劃分。在對幾何模型劃分網格之前,首先應對單元的屬性進行定義,單元的屬性定義包括單元類型的確定、材料性能和實常數的定義;其次對需要劃分單元網格的幾何模型賦予相應的單元屬性;最后設定網格劃分的密度。為了使滑動軸承的接觸有限元計算結果比較精確,本文選擇了ANSYS中的SOLID186單元。該單元為ANSYS公司推出的最新單元,可以滿足幾乎所有的網格劃分。掃射網格劃分單元如圖3。根據滑動軸承的實際生產情況,軸承材料選用20CrNiMo,軸承套材料選用45CrNiMoV,由相關手冊定義軸承套單元的彈性模量為2.14×1011Pa,泊松比為0.29,軸承的彈性模量為2.08×1011Pa,泊松比為0.295。2.3基于anasis的接觸狀態(tài)設置程序。u牙輪鉆頭軸承套的接觸單元采用直接生成法,即通過使用APDL命令定義接觸單元。目標單元為target170,接觸單元為contact174。在有限元分析中,過盈配合是一種典型的非線性接觸行為,正確地設置過盈配合主要分3個步驟。1)設置KEYOPT(9)=4程序在計算初始接觸狀態(tài)時只考慮CNOF的設置值,不考慮接觸部件的幾何位置造成的侵入或間隙,而且過盈量是以ramp方式施加的。2)設置Icont實常數在劃分網格后,目標單元和接觸單元之間會有間隙或者過盈量,如果間隙或者過盈量在Icont設定誤差范圍內,間隙或者過盈量會被自動消除掉,程序會使contactsurface和targetsurface上的單元處于剛好接觸的狀態(tài)。通過參考ANSYS的幫助文檔,本文中Icont實常數設置為0.25。3)設置CNOF實常數值在第2步中,通過設置Icont實常數值已經使得contactsurface上的單元和targetsurface上面的單元處于剛好接觸的位置,此時再設置CNOF的值就相當于設置過盈量的大小。根據牙輪鉆頭滑動軸承的實際工作條件,分別對軸承和軸承套施加邊界條件;對滑動軸承的下底面施加約束條件。2.4過盈量對軸承套應力的影響如圖4所示為過盈量為0.04mm時軸承套與滑動軸承靜態(tài)配合時應力分布云圖。由圖4可以看出,軸承套應力集中較大的地方主要出現(xiàn)在底部油孔邊緣處,并向四周遞減,但最大值出現(xiàn)的網格不多。在過盈量為0.04mm時,大部分區(qū)域處于低應力水平,軸承套未出現(xiàn)塑性變形。表1為不同過盈量下軸承套上最大VonMises應力值。由表1可以看出,隨著過盈量的增大,軸承套上最大VonMises應力值也是逐漸增加的;過盈量<0.03mm時,應力值<842MPa,軸承套上大多數區(qū)域都處于彈性應變狀態(tài);過盈量在0.03~0.05mm時,應力值在842~1400MPa,軸承套上只有少數區(qū)域處于塑性變形狀態(tài),例如軸承套底部油孔處,而大多數區(qū)域處于彈性變形狀態(tài),不影響軸承套整體強度;而當過盈量>0.05mm時,塑性變形的網格增大很多,軸承套油孔邊緣最嚴重,VonMises應力甚至達到了2000MPa,已超出材料的許用應力。在對牙輪鉆頭軸承套和軸承的過盈配合進行有限元分析后,得到了不同過盈量下的裝配應力的分布規(guī)律。通過對結果的分析可以得出3個結論:1)當配合過盈量<0.03mm時,所產生的裝配應力很小,在滑動軸承工作過程中軸承套會產生滑動,不利于軸承套的固定。2)當配合過盈量在0.03~0.05mm時,與過盈量<0.03mm時相比,軸承套局部區(qū)域產生了塑性變形,但在油孔的對稱面區(qū)域仍處于彈性變形,總體處于彈塑性共存的狀態(tài),有利于軸承套的固定。3)當配合過盈量>0.05mm時,軸承套上局部區(qū)域Mises應力將達到材料的屈服極限,此時軸承套油孔邊緣處易出現(xiàn)裂紋。因此過盈量不能太大,否則會影響軸承套的承載潛力,也會影響軸承套上耐磨層的耐磨性能,不利于整個滑動軸承壽命的提高。3牙輪鉆頭臺架試驗利用電磁加熱將軸承套加熱到約160℃,用紫銅板、銅棒等工具輕輕敲擊,協(xié)助將軸承套安裝在滑動軸承上,然后在牙輪鉆頭臺架上進行標準試驗。開始試驗時鉆頭鉆壓從0慢慢加至80kN,轉速從0慢慢加至40r/min,3h5min后逐漸加壓,經6h25min后井底跑合試驗至井底形成。檢查發(fā)現(xiàn):牙輪外排齒圈斷齒1粒,其他無異常。根據試驗要求作不同階段試驗,每小時檢查1次鉆頭。試驗至26h25min,停機檢查發(fā)現(xiàn):1#~3#牙輪轉動靈活、無新的斷齒;繼續(xù)以160kN鉆壓、100r/min轉速,試驗至78h35min時因發(fā)現(xiàn)鉆頭轉動聲音異常而停機。檢查發(fā)現(xiàn):2#牙輪軸向有輕微間隙,轉動牙輪能清晰聽見鎖緊軸承聲音,同時2排齒圈斷齒5粒;1#、3#牙輪軸承轉動靈活,無間隙,也無新的斷齒;3個牙輪輪體磨損較大,輪背齒破損較多。根據試驗要求結束試驗。通過對軸承套進行試驗后可以看出軸承套裝配是完好的,如圖6是在牙輪鉆頭臺架上進行標準試驗后的滑動軸承,試驗完全符合密封滑動保徑鉆頭軸承性能試驗的評定標準,即軸承性能試驗是合格的。軸承結構改進和所采用的過盈配合尺寸是完全符合牙輪鉆頭設計要求的。4限元分析軟件在牙輪鉆頭設計中的應用1)通過ANSYS仿真研究和上述理論分析結果,得出新型牙輪鉆頭軸承軸承套裝配過盈量選取0.03~0.05mm較為合理。2)利用有限