鑲套鍍膜牙輪鉆頭軸承的耐磨性試驗(yàn)

.引言
　　牙輪鉆頭是鉆井工程中最主要的破巖工具，其工作性能的好壞直接影響鉆井質(zhì)量、鉆井效率和鉆井成本。要使牙輪鉆頭在高速鉆井過(guò)程中具有較長(zhǎng)的使用壽命，首要問(wèn)題是解決牙輪鉆頭軸承在高轉(zhuǎn)速下的磨損與膠合問(wèn)題，使牙輪鉆頭滿足現(xiàn)代鉆井技術(shù)的要求。為了能有效地提高軸承的抗磨損和高承載能力，采用在牙爪大軸頸處鑲襯套，襯套可以選擇強(qiáng)度高、熱變形小、抗磨損性能好的材料，并通過(guò)磁控濺射技術(shù)在摩擦面生成復(fù)合涂層；并且采用固定套和浮動(dòng)套兩種裝配方案，與原廠原工藝的牙輪鉆頭軸承形成對(duì)比；由于復(fù)合涂層以及軸套材料的優(yōu)異性能，提高了軸承的抗磨損和承載能力，進(jìn)而提高鉆頭壽命。
　　2.實(shí)驗(yàn)部分
　　2.1 實(shí)驗(yàn)方法及試件制備
　　實(shí)驗(yàn)所用試件裝配圖如圖1、圖2所示，每一種裝配方案（如表1所示）實(shí)驗(yàn)組件以同樣的實(shí)驗(yàn)路線方案進(jìn)行。裝配并調(diào)試好實(shí)驗(yàn)機(jī)與實(shí)驗(yàn)組件后，進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，按徑向載荷（kg）500、1000、1500、…、6000以及軸向載荷（kg）150、200、250、…、700依次對(duì)應(yīng)從小到大逐步向大加載實(shí)驗(yàn)1小時(shí)，如果實(shí)驗(yàn)組件在試驗(yàn)機(jī)最大載荷下仍能工作，則在此載荷下實(shí)驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)組件失效或?qū)嶒?yàn)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行，若某實(shí)驗(yàn)組件在從小到大逐步向大加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程已失效或?qū)嶒?yàn)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行，則停止該實(shí)驗(yàn)組件的實(shí)驗(yàn)，換另外的實(shí)驗(yàn)組件重新實(shí)驗(yàn)。
　　2.2 軸承實(shí)驗(yàn)條件
　　軸承實(shí)驗(yàn)在成都石油總機(jī)械廠研制的牙輪鉆頭高速軸承試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)牙輪鉆軸承在工程實(shí)際中的應(yīng)用情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行圖如圖3所示。
　　每次實(shí)驗(yàn)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄和采集徑向力、軸向力和扭矩等參數(shù)。每個(gè)受力階段各采集3次，最后取平均值。試驗(yàn)后用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)算出相應(yīng)平均值，試件運(yùn)行總時(shí)間，用軟尺測(cè)量磨痕表面的大致面積。
　　3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
　　3.1 試件運(yùn)行時(shí)間
　　在相同的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)路徑下原廠試件、固定套和浮動(dòng)套試件的總運(yùn)行時(shí)間如圖所示。從試件試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間來(lái)看，9號(hào)、12號(hào)試件工作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，9號(hào)試件運(yùn)行試件最長(zhǎng)，共運(yùn)行32小時(shí)40分鐘，其次是12號(hào)試件共運(yùn)行21小時(shí)，比-1號(hào)試件的10小時(shí)40分鐘、-2試件的12小時(shí)40分鐘運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行效果好。
　　同時(shí)-1號(hào)試件并未到高載歷程加載點(diǎn)（試驗(yàn)運(yùn)行12小時(shí)加載到6T）就已經(jīng)失效，-2號(hào)試件在6T重載下運(yùn)行3小時(shí)45分，9號(hào)試件在6T重載下運(yùn)行21小時(shí)40分，12號(hào)試件在6T重載下運(yùn)行11小時(shí)。3組試件工作壽命來(lái)看，采用鍍膜鑲套技術(shù)的9號(hào)與12號(hào)試件在重載（6T）下的工作壽命至少高于未采用鑲套鍍膜技術(shù)軸承-2號(hào)件3.5倍以上。
　　3.2 試件磨損情況
　　從試件損傷情況和損傷面積來(lái)看，試件9號(hào)、12號(hào)的磨損總面積最大，單位時(shí)間里的磨損量也最大，試件-2的號(hào)的磨損面積最小，單位時(shí)間里的磨損量也最小，如圖4所示，但是試件9號(hào)和12號(hào)的運(yùn)行時(shí)間較-2號(hào)長(zhǎng)。
　　4.結(jié)論
　　結(jié)合本次軸承試驗(yàn)，可得到如下結(jié)論：
　?。?）無(wú)鍍層牙爪二止面與鍍銀層墊片之間磨損嚴(yán)重；墊片鍍氮化鈦與牙輪摩擦副磨損輕微，但有一定磨痕，鍍層基本保持60%以上。說(shuō)明在同等工況下鍍鈦/銀摩擦副比銀和無(wú)鍍層摩擦副壽命更長(zhǎng)，體現(xiàn)出涂層技術(shù)的減摩、抗磨效果更強(qiáng)；
　?。?）浮動(dòng)套軸承比固定套軸承的壽命明顯增加；
　?。?）牙輪鉆頭軸承鑲襯套并通過(guò)磁控濺射鍍復(fù)合膜及牙輪內(nèi)孔鍍銀處理，能顯著地提高軸承的抗磨損性能，有效地延長(zhǎng)了軸承的壽命；
　?。?）推薦采用12號(hào)試件的制作工藝進(jìn)行固定套軸承制作；推薦9號(hào)試件的制作工藝進(jìn)行浮動(dòng)套軸承制作。試件12號(hào)與試件9號(hào)運(yùn)行試件最長(zhǎng)，但是表面磨損較大，可進(jìn)一步提高表面鍍層材料的質(zhì)量，已達(dá)到更好的效果。