接收日期：2013年10月28日。资助项目：中国博士后科学基金特别资助项目（201104700）；国家自然科学基金（51004083））关于作者：韩传军（1979邮件： hanchuanjun @ 126。com。商品编号：1673-5005（2014）03-0123-06 doi：10. 3969 issn。1673-5005。2014. 03. 020螺钉的推力空心圆锥滚子轴承设计与分析钻具（石油大学西南机电学院，四川成都610500）摘要：为推力轴承组设计空心推力圆锥滚子轴承组结构，这种结构在螺丝钻具中更容易失效建立轴承的有限元计算模型，确定合理的滚子空心结构，并获得深腔空心圆锥滚子结构，研究了空心度和轴向载荷对轴承力学性能的影响。结果表明，圆锥滚子应采用恒定的低矮的结构。辊子的末端有应力集中现象。空心度越大，在辊的内壁上以及沿轴向的等效应力分布就越不均匀。当中空度小于65％时，辊的等效应力变化较小。负载越大，辊两端的应力集中就越严重。随着深孔的深度和直径的增加，辊子末端的应力逐渐减小，而中间部分的应力逐渐增大。这种深腔结构可以有效地改善“边缘效应”，从而避免轴承组过早疲劳失效。

关键字：螺丝钻孔工具；推力轴承;空心圆锥滚子有限元;应力集中。中文图书馆分类号：TE 921.文档代码：ADesign中空圆锥滚子推力轴承PDMHAN传俊，张杰螺杆钻具轴承，梁政（西南石油大学机械工程学院曼铂，成都610500，ChINA）摘要：中空圆锥滚子推力轴承故障问题经常发生在推力轴承组正排量电动机（PDM）中。通过分析选择有限元模型合理的空心结构。最后，研究了深孔空心圆锥滚子空心度轴向载荷轴承的力学性能。结果表明，等比空心结构圆锥滚子。应力集中现象同时存在于圆锥滚子上。空心度，沿内壁滚子轴向等效应力分布会变得更加不均匀。当空心度小于65％时，等效应力辊的变化很小。轴向载荷时，应力集中辊变得更大。分析结果表明，腔深腔直径大，应力滚轴减小，中间部位逐渐增大。腔结构可以有效地改善边缘效应”，并且两端都发生过早疲劳。关键词：正排量电动机（PDM）；止推轴承；空心圆锥滚子；有限元；应力集中螺钉钻具，也称为正排量电动机（正排量电动机）电机（PDM），是目前使用最广泛的井下电动工具之一，其中，驱动轴组件是其最薄弱的一环。经常发生侵蚀，断裂，轴承组件损坏，外壳开裂，磨损和其他故障事故。

在驱动轴组件中，推力轴承组是其最薄弱的环节之一。目前，螺旋钻工具中的常规推力轴承组是多级串联四点接触球轴承。但是，由于井底的恶劣工作环境，重负载以及强大的冲击负载，经常会发生过早的故障，例如滚珠和滚道的磨损和破裂，从而缩短了整个螺杆的使用寿命。钻孔工具并影响穿透速度。例如，长庆油田勘探局钻探二处计算了137套失效的螺旋钻具，其中报废了58套，维修了79套。 29组因推力轴承而损坏，占故障总数的21. 2％［4-5]推力轴承的力计算研究；韩传军等。中国石油大学学报（自然科学版）。 38 ChINA University PetroleumJun。 2014年，建立了传动轴组件的故障树模型，并对四点接触推力球轴承进行了应力分析。但是，随着钻井技术的发展，对长寿命，高扭矩，高速，多功能螺丝钻具的需求[6-7]逐渐增加，推力球轴承必须加以改进。作者设计了一个中空推力圆锥滚子轴承组，该组可应用于重载和大冲击条件。推力轴承组结构根据螺丝钻具的结构特点，设计的空心圆锥滚子推力轴承如图1所示。每排轴承中所有圆锥滚子的母线和轴承的母线]环形滚道在轴线上的某个点相交，从而确保了圆锥滚子的纯滚动。

这种结构的优点是：（1）接触方式从“点接触”改变为“线接触”，这增加了滚动体与滚道之间的接触面积，减小了接触应力，并改善了2）使用空心圆锥滚子可以降低其接触刚度，从而使整个推力轴承组的缓冲和振动吸收性能更高[8-11]； [3）中空结构增加了散热面积大，钻井液同时通过，可以提高散热能力，同时可以提高润滑效果；（4）将传统的“直通”润滑通道改造成推力轴承组结构图图。结构图推力轴承组不同类型的中空结构圆锥滚子中空结构设计“迷宫”结构可有效改善钻井液的冷却和润滑效果。对于其机械性能非常重要，合理的中空结构可以有效地减小圆锥滚子的应力，增加其承载能力，并延长其使用寿命。不合理的空心结构可能会降低其承载能力并导致推力过早失效轴承，从而影响整个螺旋钻工具的使用寿命。设计了三种不同类型的圆锥滚子空心结构。图2（a）是圆柱形的空心结构，圆锥滚子的内部空心结构是圆柱形的，便于加工，但是圆锥滚子小端的壁厚较薄，而大的壁厚端更大；图2（b）是一个恒定的圆锥空心结构，这种结构中的辊的内部是圆锥形的，但是沿轴线的每个位置的空心度是相同的。图2（c）是壁厚相等的中空结构，其中圆锥滚子的内部也是圆锥形的，但是沿着滚子的轴线，无论是大端还是小端，壁厚都是相等的到处都是。

为了选择合理的中空结构，请对每个结构进行力分析。圆锥滚子的不同空心结构空心圆柱滚子结构的计算模型以LZ172为例。由于推力滚子轴承的结构和承载对称性，并且单个滚子也是轴对称结构，因此分别构建了空心圆锥滚子结构的有限元模型，如图3所示。这些模型基于小端的空心度，并且空心度为50％。根据承载条件，在下端轴承内圈的底表面上施加固定的约束，除钻具轴线方向以外的所有约束都施加在内圈的内圆柱表面上环和外环的外圆柱表面轴承。轴向载荷为100 kN，相当大的均匀载荷施加到外圈的上表面。该模型与六面体单元啮合。每个接触表面之间的摩擦系数为2。每种组成材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为3，材料密度为7800 kg。空心结构不同的圆锥滚子的有限元模型空心模型不同的有限元模型的分析不同结构的机械特性分析不同类型的空心圆锥滚子的等效应力云图如图4所示。从图4可以看出辊的上下接触母线上的应力最大，而远离接触部分的应力值较小；无论圆锥滚子的结构是什么，沿着滚子的径向方向，在滚子壁上，厚的中间位置应力最小；沿轴向，第二种结构的圆锥滚子（图4（b））的应力分布更加均匀。

可以看出，在辊的两端存在明显的应力集中现象，即“边缘效应”。在辊的小端，壁厚相等的中空结构辊的应力值最大。在辊的大端，圆柱中空结构辊的应力值最大。 （科学版）2014线方向上的应力分布比较均匀，因此推力轴承在工作过程中不易出现局部偏心磨损，这表明选择第二种结构的空心圆锥滚子更为合理。空心圆锥滚子的等效应力云图空心圆锥滚子的等效应力云图空心圆锥滚子的应力分布空心度不同的不同空心结构辊的应力分布轴承合理的机械性能空心度可以提高轴承的承载能力。经计算，不同空心度下圆锥滚子的等效应力和接触应力分布曲线如图6所示。从图6可以看出，无论是实心辊还是空心辊，中间部位的应力分布都比较均匀，而两端都集中了应力。空心度小于65％时，辊的等效应力随空心度而变化。当其大于65％时，随着中空度的增加，辊的当量应力更大，并且锥形辊的中间部分的应力分布更加不均匀。图。不同空心度下辊子的应力分布图。不同空心度下辊子的应力分布当空心度小于45％时，辊子两端的接触应力仍然有明显的应力集中。

但是，随着中空度的增加，辊子末端的接触应力逐渐减小，中间部分的应力分布变得更加不均匀。辊子小端附近的接触应力逐渐增加，而大端附近的接触应力逐渐减小。当中空度大于65％时，辊的最大接触应力出现在小端附近，在小端形成应力集中现象，因此中空度的合适范围为45％至65％。韩传军等：螺旋钻具的推力空心圆锥滚子轴承的设计和分析以辊子小端的内壁线为基准线。图7示出了在不同的空心度下沿圆周方向的内壁的等效应力。从图7可以看出，在不同的空心度下，辊的内壁上的圆周应力分布。在不同的空心度下，内壁应力分布圆锥滚子。每条曲线上的最大值位于0和180位置曼铂，并且随着空心度的增加，辊子内壁上的应力逐渐增加。当中空度较小时，沿周向的内壁上的等效应力分布更加均匀，并且随着中空度的增大，中空圆锥滚子的内壁在圆周的一半内呈现“ W形”分布，并且这种现象逐渐明显。在圆周方向上的90°出现一个峰。 轴承不同轴向载荷下的力学性能为了研究载荷条件对空心圆锥滚子轴承力学性能的影响，分析了空心度为50％的圆锥滚子。

是在不同轴向载荷下辊的等效应力和接触应力分布曲线。对应于不同负载条件的等效应力和接触应力曲线具有相似的变化。辊子中部的应力分布比较均匀，在辊子的两端都有应力集中。轴向载荷越大，辊子应力越大，辊子两端的应力集中现象就越明显，即“边界效应”越严重。在不同轴向载荷下辊的应力分布在不同轴向载荷下应力分布的圆锥滚子深腔空心圆锥滚子的结构根据以前的分析，无论是实心空心圆锥滚子还是空心圆锥滚子，两端都有“边缘效应”，即会严重影响轴承的使用寿命。为了克服这种“边缘效应”，工程中通常采用母线修改。使用对数曲线修改被认为是最好的形状修改，但是它需要高精度的处理技术[12]。在本文中，可以改进如图9所示的深腔空心圆锥滚子结构。 “边缘效应”并降低加工精度（毫米），例如深孔直径小而大的滚筒直径分别为9和12毫米。图10示出了中空辊和深腔中空辊的应力分布曲线。从图10可以看出，深腔中空辊两端的等效应力和接触应力明显小于普通中空辊，等效应力和接触应力仅比中空辊略大。

因此，总的来说，在中空圆锥滚子的两端增加深孔结构可以显着降低两端的应力集中，并避免滚子过早疲劳失效。深腔中空圆锥滚子的结构深腔中空圆锥滚子的结构中国石油大学学报（自然科学版）2014图10两种结构的圆锥滚子的应力比较10应力二类圆锥滚子深孔深度对[的]力学性能的影响轴承图11显示了沿母线方向具有不同深孔深度的滚子的应力分布曲线。从图11可以看出，当没有深孔时，辊子小端的等效应力大于大端，而深孔结构的辊子小端的等效应力更大。比大端小；随着深腔深度的增加，两个滚子两端的等效应力和接触应力减小，但滚子中部的应力略有增加。当深孔的深度为1.mm时，辊的最大接触应力在两端出现，当深孔的深度大于mm时，辊的最大接触应力出现在中间部位接触应力小。可以看出，深孔的深度越大，滚子两端的“边缘效应”的改善效果越明显，但滚子中部的应力分布会不均匀，因此辊两端深孔的深度不应超过1.毫米。图11在不同深孔深度处的滚子的应力分布11在不同型腔深度处的圆锥滚子的应力分布深孔直径对轴承力学性能的影响基于小端深孔直径。图12显示了不同深腔直径下的滚子应力分布曲线。

从图12可以看出，深孔的直径越大，空心圆锥滚子两端的等效应力越小。辊子中部的等效应力值略有增加，但变化幅度较小。当深孔的直径小时，空心圆锥滚子的最大接触应力出现在滚子的小端。当深孔的直径小于9 mm时，滚子接触应力呈“ W”形分布。辊两端的接触应力越小，中部的接触应力越大，辊小端的接触应力变化率大于大端。因此，在辊的小端处的深孔的直径为8 mm。图12不同深孔直径的滚子的应力分布12不同腔直径的圆锥滚子的应力分布（1）空心度越大，沿滚子轴向的等效应力分布越不均匀，在滚子轴向上的等效应力分布越不均匀辊的内壁，辊两端的最大接触应力。当空心度小于65％时，圆锥滚子的等效应力值变化较小。[2）轴向载荷越大，空心圆锥滚子的当量应力和接触应力，在两端的应力集中现象越明显，“边缘效应”就越严重。（3）深孔空心圆锥滚子的结构设计可以显着改善滚子两端的“边缘效应”，并避免过早发生疲劳破坏。当深孔的深度和直径增大时，辊的两端变小，中间部分的应力值逐渐增大。因此，有必要合理选择深孔参数。

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