鑲套鍍膜牙輪鉆頭軸承的耐磨性試驗

.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量、鉆井效率和鉆井成本。要使牙輪鉆頭在高速鉆井過程中具有較長的使用壽命，首要問題是解決牙輪鉆頭軸承在高轉速下的磨損與膠合問題，使牙輪鉆頭滿足現代鉆井技術的要求。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，襯套可以選擇強度高、熱變形小、抗磨損性能好的材料，并通過磁控濺射技術在摩擦面生成復合涂層；并且采用固定套和浮動套兩種裝配方案，與原廠原工藝的牙輪鉆頭軸承形成對比；由于復合涂層以及軸套材料的優異性能，提高了軸承的抗磨損和承載能力，進而提高鉆頭壽命。
　　2.實驗部分
　　2.1 實驗方法及試件制備
　　實驗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）實驗組件以同樣的實驗路線方案進行。裝配并調試好實驗機與實驗組件后，進行加載實驗，按徑向載荷（kg）500、1000、1500、…、6000以及軸向載荷（kg）150、200、250、…、700依次對應從小到大逐步向大加載實驗1小時，如果實驗組件在試驗機最大載荷下仍能工作，則在此載荷下實驗到實驗組件失效或實驗機自動停止運行，若某實驗組件在從小到大逐步向大加載實驗過程已失效或實驗機自動停止運行，則停止該實驗組件的實驗，換另外的實驗組件重新實驗。
　　2.2 軸承實驗條件
　　軸承實驗在成都石油總機械廠研制的牙輪鉆頭高速軸承試驗機上進行。根據牙輪鉆軸承在工程實際中的應用情況進行了實驗，實驗裝置運行圖如圖3所示。
　　每次實驗由計算機自動記錄和采集徑向力、軸向力和扭矩等參數。每個受力階段各采集3次，最后取平均值。試驗后用計算機處理實驗數據算出相應平均值，試件運行總時間，用軟尺測量磨痕表面的大致面積。
　　3.實驗結果與討論
　　3.1 試件運行時間
　　在相同的實驗條件和實驗路徑下原廠試件、固定套和浮動套試件的總運行時間如圖所示。從試件試驗運行時間來看，9號、12號試件工作時間相對較長，9號試件運行試件最長，共運行32小時40分鐘，其次是12號試件共運行21小時，比-1號試件的10小時40分鐘、-2試件的12小時40分鐘運行時間長，運行效果好。
　　同時-1號試件并未到高載歷程加載點（試驗運行12小時加載到6T）就已經失效，-2號試件在6T重載下運行3小時45分，9號試件在6T重載下運行21小時40分，12號試件在6T重載下運行11小時。3組試件工作壽命來看，采用鍍膜鑲套技術的9號與12號試件在重載（6T）下的工作壽命至少高于未采用鑲套鍍膜技術軸承-2號件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看，試件9號、12號的磨損總面積最大，單位時間里的磨損量也最大，試件-2的號的磨損面積最小，單位時間里的磨損量也最小，如圖4所示，但是試件9號和12號的運行時間較-2號長。
　　4.結論
　　結合本次軸承試驗，可得到如下結論：
　　（1）無鍍層牙爪二止面與鍍銀層墊片之間磨損嚴重；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。說明在同等工況下鍍鈦/銀摩擦副比銀和無鍍層摩擦副壽命更長，體現出涂層技術的減摩、抗磨效果更強；
　　（2）浮動套軸承比固定套軸承的壽命明顯增加；
　　（3）牙輪鉆頭軸承鑲襯套并通過磁控濺射鍍復合膜及牙輪內孔鍍銀處理，能顯著地提高軸承的抗磨損性能，有效地延長了軸承的壽命；
　　（4）推薦采用12號試件的制作工藝進行固定套軸承制作；推薦9號試件的制作工藝進行浮動套軸承制作。試件12號與試件9號運行試件最長，但是表面磨損較大，可進一步提高表面鍍層材料的質量，已達到更好的效果。