牙轮钻头变曲率滑动轴承的结构分析与摩擦学性能研究.docx

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1、牙轮钻头变曲率滑动轴承的结构分析与摩擦学性能研究牙轮钻头变曲率滑动轴承的结构分析与摩擦学性能研究陈家庆罗纬蔡镜仑马清明3(1.北京石油化工学院机械工程系，北京102600；2.石油大学研究生院.北京102200；3.胜利互油管理局钻采院，山东东营257062)就结构设计和配合关系等问题进行了分析讨论，划分了准变曲率、吻合变曲率以及间隙变曲率等3种结构形式；针对考虑摩擦时的变曲率结构，提出了接触形状优化和预磨合的实施方案。钻头独重试验结果表明，无论是预设计变曲率还是预磨合变曲率，都能改善轴承摩擦副的摩擦学特性，因而值得进一步研究和推广。1999-)9-25收到初稿，20-)2-20收到修改稿本文

2、通讯联系人陈家庆。陈家庆男，30岁博士，副教授，目前主要从事现代机械设计及表面工程等方面的教学和科研工作。对于牙轮钻头滑动物承这类多处于混合润滑或边界润滑的重载、低速滑动轴承而言.从材料和结构方面进行改进研究比单纯从润滑力学的角度进行改进研究更为奏效。粘着磨损是牙轮钻头滑动物承正常工作失效尤其是早期失效的主要原因。根据摩擦学原理可知，为了改善轴承摩擦副之间的摩擦状况，提高滑动轴承的工作能力，无论摩擦副为普通合金翎眩质或是硬硬材质，都有必要降低轴颈与轴承接触面间的峰值接触压力。可以从结构上采取措施来尽量降低峰值接触压力，在滑动钿承的可能接触面上采用变曲率轮廓就是措施之一。由于牙轮钻头滑动逛工作时

3、牙轮迪承套旋转而牙爪轴颈不转，因而只宜在牙爪轴颈上采用变曲率结构一一变曲率牙爪轴颈。本文正是从这一点出发，对牙轮钻头变曲率滑动蝇进行了相应的理论和，设常规牙爪轴颈外半径为R。，圆心为，现过。作水平线xx：垂直线rr与牙爪轴颈圆周上下端分别交于G和F点，在Gl线上取一点F使w；并在下半圆周上平行于XX作宽为2b的弦AB(即b),连接AF和BF；作等腰三角形AABF的外接圆，圆心为0”,半径为r,则弧AFB即为变曲率弧，由此形成的闭弧AFBGA即为变曲率牙爪轴颈。考虑到变曲率牙爪轴颈的实际加工和测量问题，选择FFFW和AE=b作为主控参数，其中Fk=W可以通过测量预磨前后的实际尺寸而得到，因而称其

4、为预磨量；称AE=b为预磨半宽。设计时预先给定W和b值后，其它有关参数可计算如下：变曲率弧段半径r：变曲率牙爪轴颈上的两种不同圆弧的圆心之间的距一般将w、b和r称为变曲率弧段的3个表征量，当然只有2个是独立的显然，只有当rRo时的变曲率轴在牙轮钻头滑动遮中才真正具有意义。1.1.2不考虑摩擦时变曲率滑动轴承的配合关系同样如所示，设牙轮内孔物承半径为Rbi,圆心为。，其水平对称线为XX;过常规牙爪轴颈中心。点所作垂直线TT与牙爪轴颈圆周下端的交点1在初始未变形接触时应位于牙轮内孔轴丞圆周上，陈家庆等：牙轮钻头变曲率滑动物垂的结构分析与摩擦学性能研究触时，仅A和B两点接触，点F附近的部分弧段并未从

5、牙爪轴颈上的点A到牙轮内孔轴承的垂直距离AA，为：于是当变曲率牙爪轴颈与牙轮内孔轴承装配时，相对于常规轴颈与牙轮内孔轴承的配合位置而言，可以分为以下3种情况讨论：曲率牙爪轴颈整体下移了FP(=w)的距离；从整体外形上看，此时的配合关系同常规结构无太大差异，在给定W和r值之后就可以求出相应的M直。我们称此时的变曲率结构为准变曲率结构。当r=Rbi时，中曲率弧段AFB与牙轮内孔上的弧段呈等距平行布置(AA=FF=BB=w),因而相对于常规牙爪轴颈而言，变曲率牙爪轴颈整体下移了fF的距离；未变形初始接触时，轴颈变曲率弧段与牙轮内孔完全吻合(如所示)；此时牙爪轴颈上两种不同圆弧的圆心之间的距离00为：

6、即未变形接触时牙爪轴颈上变曲率弧段的圆心0”同牙轮内孔圆心0重合，对应一定W值时的M直为：则相应吻合接触弧段的角度值2Rbi时，AA=BB轴颈整体下移了足抑的距离在未变形初始接趾心BEM隹种变曲率轴承在遇荷作用1.1.3不考虑摩擦时接触力学性质的BEM分析下的接触变形情况进行了分析，其结果见。1.2考虑摩擦时的变曲率滑动邈结构因动态摩擦接触时接触压力分布的不对称性，使得相应的变曲率结构轮廓也不再具有对称性，这就给考虑摩擦时变曲率牙爪轴颈的设计带来了困难。这里提出2种较为可行的方法：通过接触形状优化来获得变曲率滑动轴承，接触形状优化设计的目标就是决定接触轮廓以尽可能使峰值接触压力达到最小，且满足

7、表面轮廓变化的约束条件，根据具体的摩擦副材料特性，也可得出类似前述不考虑摩擦时命名的3种变曲率结构，优化出接触轮廓后，就可以在数控机床上进行加工，所得到的接触表面轮廓必然是变曲率轮廓；通过预磨合来获得变曲率滑动轴承。这里将磨合作为一种表面加工方法，希望通过它使班承摩擦副的接触区域轮廓发生一些宏观改变，进而使得接触压力分布向着有利于降低峰值接触压力的方向变化（当然与此同时微观表面粗糙度也发生变化，更为接近一定工况条件下的最佳表面品质）。由于预磨合过程的复杂性，一般在确定磨合规范时往往依据经验而定，因而如何从理论上来解决这个问题，尽可能缩短磨合时间，就显得相当重要，为此可在轴承摩擦之间加入少量磨料型和化学型磨合剂。2牙轮钻头变曲率滑动轴承的摩擦学性能21预设计变曲率滑动轴承的。可以看出，采用变曲率结构时的摩擦扭矩和摩擦表面温度均小于采用常规结构时的相应值，且更为平稳，这是由于经过长期运