井下轴承的关键技术与发展方向要点分析

井下轴承的关键技术与发展方向要点分析

所谓的井下轴承指的就是井下动力钻具所用的轴承，井下动力钻具主要包括涡轮钻具和螺杆钻具，其使用的轴承主要包括推力球轴承、聚晶金刚石（PCD）轴承和径向硬质合金（TC）轴承，并从材料优选，结构改进，制造工艺的角度分析了井下轴承的关键技术，探索了未来轴承的发展方向。

一、止推轴承的发展现状：

止推轴承连接上部静止的钻杆柱和旋转的驱动轴。动力钻具在高速工作中，止推轴承狭小的工作面上作用了巨大的轴向荷载和波动的冲击荷载，导致轴承极易压溃损坏。另外工作温度超过100℃，以及泥浆的腐蚀和硬粒的挤压，均会加速轴承的磨损，对轴承的使用寿命造成影响。目前动力钻具中应用广泛的止推轴承有推力球轴承和PCD推力轴承。

我国的PCD轴承尚处于研究阶段，中国地质大学（北京）设计了新型的PCD止推轴承结构，主要由动盘、静盘、外套、碟簧、底座等组成，如图1所示。动盘和静盘上都通过冷镶的方式镶嵌了一定数量的聚晶金刚石复合片，其中动盘镶嵌25个，静盘26个，复合片数量不同保证了两盘复合片相互错开，从而避免了复合片发生咬合。轴承运行过程中，动盘和钻具转轴固定在一起，并随之转动；静盘轴向固定在外套上，外套则和钻具外壳固定。实验表明，该种PCD止推轴承振动小，性能稳定，有较高的使用寿命。

图1 PCD轴承

二、井下轴承的关键技术与发展方向要点主要有以下几点：

1、优选材料，提高摩擦副的耐磨性

材料的发展带动着轴承的发展，轴承材料的优选往往能起到事半功倍的效果。动力钻具轴承材料需要具有高的表面硬度，高耐磨性，高强度，高刚度和良好的韧性，以及耐高温和耐腐蚀的能力。目前常用的轴承材料见表1。

表1 推力球轴承材料

除了传统的轴承合金钢，还有许多新兴的轴承材料，典型的有前文提到的聚晶金刚石（PCD）材料，另外还有陶瓷材料。陶瓷轴承材料主要有氮化硅，氧化锆，碳化硅3种。陶瓷材料本身具有很多突出的优点，如不怕腐蚀，质量轻，高耐磨，受力不易变形等，因此陶瓷轴承常应用于高精度或特种作业中。陶瓷轴承应用到动力钻具中，还需要不断改进配方，以提高陶瓷抗疲劳，抗冲击的能力。

2、改善轴承的接触条件

止推轴承主要承受旋转摩擦和轴向载荷，这两种载荷之间相互影响，改善轴承的接触条件，可以有效降低轴向载荷和摩擦力，提高轴承寿命，如国内外已在开发动压轴承应用于孔下动力钻具。

动压轴承是一种建立在流体动压润滑理论上的新型轴承，具有高的承载力以及低的摩擦系数。流体动压润滑是指相对运动的摩擦表面充满了润滑剂，相对运动使得润滑剂具有足够的压力支撑起两个摩擦表面，从而使接触的摩擦转化为非接触摩擦，大大减少了摩擦副的磨损和摩擦阻力。动压油膜能够提供极高的承载力，可以有效地支承动力钻具中来自轴向的载荷，而避免磨损。流体在润滑的过程中不断带走热量，减少高温对轴承造成的损伤。另外，液体的非接触摩擦取代接触摩擦，给动力钻具的旋转工作带来更高的稳定性。

动压轴承技术的关键在于动压油膜的形成。动压油膜的形成与转速和流体粘度有关，只有当转速超过一定值时，滑动的摩擦面间才会产生润滑作用，因此提出启动转速的问题；粘度过小，滑动面之间容易发生干接触，接触面间的应力增大。流体与摩擦面间的粘附作用也需要进一步研究。

3、改进机械结构缓冲外载

对轴承或轴承组的结构进行调整改进也是提高轴承使用可靠性和寿命的重要手段。最早使用的滚动推力轴承采用油润滑，但是难以实现良好的密封，因此逐渐改为了采用泥浆润滑的开式结构，并去除了轴承的内外环。以美国贝克公司为代表的止推轴承采用了充油密封平面滚柱轴承，但是该轴承只适于低速螺杆钻具。上海石油化工机械技术研究所研制的多盘结合式推力球轴承，改变了轴承的受力状态，减少了磨损与毁坏，该轴承在转速＞550r/min的螺杆钻具中，使用寿命超过100h。ＳＫＦ公司通过调整轴承各列间的间隙，使各组轴承的受力更为均匀；使用圆柱滚子代替滚珠，大大降低了滚动体的工作应力；采用减振装置，减少了轴向载荷的波动量。

4、改进加工制造方法

热处理工艺是轴承制造的关键。近年来又开发了轴承表面激光处理技术，轴承表面经激光强化处理后，支撑节轴承平均使用寿命达300h，为普通涡轮钻具支撑节的2.5倍。在金属橡胶滑动止推轴承方面，为了提高金属止推盘的抗磨性，前苏联采用了等离子体强化技术。等离子体强化技术可使金属止推盘和耐磨性提高5~7倍，使零件的翘曲度变形很小，使精加工的工作量变少，有利于组织批量生产。据1986年以来现场试验资料统计表明，等离子体强化技术处理过的金属橡胶止推轴承的涡轮钻具，平均使用寿命为371h，比普通涡轮钻具的检修周期延长了4.69倍。现在，该技术也应用到涡轮钻具径向扶正轴承金属套和螺杆钻具部分摩擦副的强化处理之中。

在轴承的加工制造方面，国内与国外虽说有一定的差距。但是目前我国在高端铁路轴承上已经取得了良好的成绩，这就是我们对轴承高端制造成果的一个开端，相信不久的将来，我国各个领域中轴承地技术上都会有一定的突破，从而打造国外的垄断。对于井下轴承来说，流体动压润滑是未来滑动轴承的发展趋势，应尽快设计出动力钻具适用的流体动压轴承，以提高动力钻具整体使用可靠性和寿命。

（来源：中华轴承网）

   轴研所公众号                                      轴承杂志社公众号