本发明专利技术公开了一种织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试方法。本发明专利技术的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴颈与轴承之间设有润滑介质，其中所述轴颈采用20CrNiMo材料制成，所述轴承采用铍青铜材料制成，在所述轴承的内表面上设有表面织构，所述表面织构为沿轴承圆周方向为均匀分布/交错分布的若干圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑。本发明专利技术针对牙轮钻头滑动轴承的工况和特殊结构，通过微观结构优化提出圆柱形和椭圆形织构参数组合的滑动轴承来改善传统钻头轴承黏着失效问题，从而延长牙轮钻头的使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种。本专利技术的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴颈与轴承之间设有润滑介质，其中所述轴颈采用20CrNiMo材料制成，所述轴承采用铍青铜材料制成，在所述轴承的内表面上设有表面织构，所述表面织构为沿轴承圆周方向为均匀分布/交错分布的若干圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑。本专利技术针对牙轮钻头滑动轴承的工况和特殊结构，通过微观结构优化提出圆柱形和椭圆形织构参数组合的滑动轴承来改善传统钻头轴承黏着失效问题，从而延长牙轮钻头的使用寿命。【专利说明】
本专利技术涉及井下工具摩擦学领域，尤其是一种含有表面织构的滑动轴承及摩擦学性能测试方法。
技术介绍
牙轮钻头的寿命一直是钻井工程中需要考虑的重要问题之一，随着钻井深度的增力口、钻井环境的复杂化，对牙轮钻头的寿命长短和稳定性要求也越来越高，牙轮钻头轴承是影响其整体寿命的关键之一。针对牙轮钻头轴承系统进行润滑分析和优化设计以提高牙轮钻头轴承使用寿命，是目前亟待解决的问题。目前，由于三牙轮钻头的特殊结构，即钻头体积小、载荷大、环境温度高等特点，使得其寿命难以在原来的基础上有更大的提高，主要体现在牙轮钻头滑动轴承的载荷大、环境温度高、润滑条件差、结构尺寸小等方面，这主要是由于牙轮钻头轴承的润滑方式为一次性的储脂润滑方式，在钻井液高温、高压及冲击重载作用下，钻头轴承的润滑方式主要为边界润滑和混合润滑状态，从而导致了其失效形式主要为黏着磨损。随着钻采环境的复杂化和恶劣化，对牙轮钻头工作性能的要求越来越高，而牙轮钻头滑动轴承又是关系到钻井质量、钻井效率和钻井成本的关键部件，所以必须对牙轮钻头滑动轴承进行优化设计从而进一步提高轴承的润滑性能和承载能力，进而形成牙轮钻头滑动轴承的现代设计理论和试验方法。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于:针对上述存在的问题，提供一种，针对牙轮钻头滑动轴承的工况和特殊结构，通过微观结构优化提出圆柱形和椭圆形织构参数组合的滑动轴承来改善传统钻头轴承黏着失效问题，从而延长牙轮钻头的使用寿命，且提供一种能够通过单元实验测试所设计织构轴承摩擦学性能的试验和评估方法，从而为优选适合牙轮钻头轴承工况和润滑方式的表面织构参数奠定基础。本专利技术采用的技术方案如下:本专利技术的织构化牙轮钻头滑动轴承，包括轴颈、及支撑轴颈的轴承，所述轴颈与轴承之间设有润滑介质，其中所述轴颈采用20CrNiMo材料制成，所述轴承采用铍青铜材料制成，在所述轴承的内表面上设有表面织构，所述表面织构为沿轴承周向上均匀分布/交错分布的若干圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑。由于采用了上述结构，牙轮钻头的轴承内表面上的表面织构可存储轴承运行过程中产生的磨屑和磨粒，从而避免磨粒或磨屑在轴颈旋转运动带动下产生二次磨损，如图6中凹坑所存储的磨粒；同时由于选用轴颈和轴承的材料对于摩擦系数有着重要的影响，当材料改变时，会对轴承与轴颈之间的摩擦带来较大的影响，因此为了保证轴承与轴颈的接触部具有较大硬度，将轴颈采用20CrNiMo材料制成，同时轴承采用铍青铜材料制成，同时将轴承内表面的表面织构选用圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑结构，圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑在轴承内表面沿轴承圆周方向呈均匀分布或者交错分布，对于牙轮钻头轴承表面分布的凹坑，其所起的作用就是润滑脂沿运动方向，凹坑入口大、出口小的阶梯形收敛间隙形成了局部的流体动压，从而提高轴承的承载能力；同时在轴颈与轴承之间设有润滑介质，在恶劣的润滑条件下，存储于表面织构中的润滑脂由于牙轮钻头轴承的冲击载荷及转动速度V，润滑脂被挤出而形成挤压油膜，从而在相对运动的过程中补充润滑所需的润滑介质，而形成对摩擦副周围表面的润滑。本专利技术的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴承内表面的表面织构，是沿其周向上均勻分布的圆柱形凹坑时，所述圆柱形凹坑的直径d为200 μ m?300 μ m,所述圆柱形凹坑的面积比Sp为5%?10%,且所述圆柱形凹坑的深度为10 μ m-60 μ m。由于采用了上述结构，采用圆柱形凹坑有助于油膜压力沿圆周边缘都成正态分布，便于在提高轴承摩擦副局部承载能力的时候不会因为压力分布不均而产生振动或轴颈的偏斜造成局部磨损严重从而降低轴承寿命；同时凹坑的直径和面积比都存在一个较优的范围，直径和面积比过大肯定会增大摩擦副表面的整体粗糙度，从而加快轴颈与轴承内表面的磨损和温升，但是凹坑直径和面积比过小时，不便于储存润滑脂、磨粒及形成流体动压润滑的效应，从而不能及时补充边界润滑条件下摩擦副所需要的润滑介质；因此为了达到较优的润滑效果，圆柱形凹坑的直径d为200 μ m?300 μ m,所述圆柱形凹坑的面积比Sp为5%?10%。对于凹坑的深度来说，当凹坑的深度过深时，虽然储存润滑脂及磨粒的作用增强了，但是不利于轴承摩擦副在高速下湍流及空穴效应的作用而提高油膜承载能力，而凹坑深度较浅时，虽然其流体动压作用增强了，但是由于轴承的一次性脂润滑方式，限制了织构不能及时向周围补充润滑介质及储存磨粒的作用，这样在边界润滑状态下轴承摩擦副的二次磨损现象就会加重，因此本专利技术为了达到较优的效果，将所述圆柱形凹坑的深度为10 μ m-60 μ m。本专利技术在采用上述结构的钻头轴承在其工况和润滑状态下，既能保证轴承的承载能力不降低甚至提高的前提下，还能改善轴承的摩擦学性能，即提高轴承的润滑性能，延长其使用寿命。本专利技术的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴承内表面的表面织构，是沿周向交错分布的椭圆柱形凹坑，该椭圆柱形凹坑的长半轴为0.36mm,短半轴为0.18mm,凹坑深度为10 μ m-60 μ m,且所述椭圆柱形凹坑的面积比Sp为5%_15%。由于采用了上述结构，椭圆柱形凹坑在相对转动速度下带动润滑介质形成流体动压润滑及储存磨粒作用的同时，由于凹坑长半轴和短半轴尺寸的不一致，特别地，本专利技术中采用椭圆柱形凹坑的长半轴为0.36mm,短半轴为0.18mm,使得该椭圆柱形凹坑织构在沿轴颈转动方向形成楔形收敛作用同时，还会挤压润滑介质沿另一半轴方向运动的作用，从而使润滑脂在整个轴承内表面均匀分布，继而提高钻头轴承的整体稳定性。类似于圆柱形凹坑，椭圆柱形凹坑的面积比过大肯定会增大摩擦副表面的整体粗糙度，从而加快轴颈与轴承磨损和温升，但是面积比过小时，不便于储存润滑脂、磨粒及形成流体动压润滑的效应，从而不能及时补充边界润滑条件下摩擦副所需要的润滑介质；因此选用椭圆柱形凹坑的面积比SpS 5%-15%。对于凹坑的深度来说，当凹坑的深度过深时，虽然储存润滑脂及磨粒的作用增强了，但是不利于轴承摩擦副在高速下湍流及空穴效应的作用而提高油膜承载能力，而凹坑深度较浅时，虽然其流体动压作用增强了，但是由于轴承的一次性脂润滑方式，限制了织构不能及时向周围补充润滑介质及储存磨粒的作用，这样在边界润滑状态下轴承摩擦副的二次磨损现象就会加重，因此本专利技术为了达到较优的效果，将所述椭圆柱形凹坑的深度为10 μ m-60 μ m。本专利技术在采用上述结构的钻头轴承在其工况和润滑状态下，既能保证轴承的承载能力不降低甚至提高的前提下，还能改善轴承的摩擦学性能，即提高轴承的润滑性能，延长其使用寿命。本专利技术的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述椭圆柱形凹坑的长轴与轴套的轴线平行，所述椭圆柱形凹坑的面积比Sp为10%。由于采用了上述结构，椭圆柱形凹坑的长半2轴本文档来自技高网...
【技术保护点】
织构化牙轮钻头滑动轴承，其特征在于：它包括轴颈（1）、及支撑轴颈的轴承（2），所述轴颈（1）与轴承（2）之间设有润滑介质，其中所述轴颈（1）采用20CrNiMo材料制成，所述轴承（2）采用铍青铜材料制成，在所述轴承（2）的内表面上设有表面织构（3），所述表面织构（3）为沿轴承（2）周向上均匀分布/交错分布的若干圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王国荣，钟林，何霞，杨昌海，邓猛，蒋龙，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：
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