鉆井液污染潤滑脂對牙輪鉆頭軸承摩擦學性能的影響

廖文玲1 王國榮 鐘 林

(1.成都工業學院機械工程學院 四川成都 611730；2.西南石油大學機電工程學院 四川成都 610500；3.西南石油大學能源裝備研究院 四川成都 610500)

相比于滾動軸承，滑動軸承具有承載能力大、耐用性好等優點，被廣泛用于各種機械設備中。牙輪鉆頭滑動軸承作為牙輪鉆頭的關鍵零部件，是牙輪鉆頭傳遞扭矩和運動形式的橋，而在重載、高溫、高壓及混合潤滑的復雜工作環境下，對滑動軸承工作性能和使用壽命影響很大，成為制約牙輪鉆頭發展的瓶頸之一。

針對特殊工況下的牙輪鉆頭滑動軸承，研究人員進行了多方面研究。XIONG[1]將流體潤滑理論引入牙輪鉆頭的密封設計中，并提出了金屬密封，為牙輪鉆頭軸承的潤滑分析奠定了一定的理論基礎。KELLY[2]從軸承的壽命預測及改進軸承鎖緊裝置著手，對軸承結構進行了設計。伍開松和馬德坤[3]通過三維有限元接觸應力分析的方法，對牙輪鉆頭滑動軸承進行了優化設計，優化后的表面接觸壓力峰值降低了34.6%，且軸承表面的接觸壓力分布更加合理。王國榮[4]將浮動套軸承引入牙輪鉆頭滑動軸承設計中，并對浮動套牙輪鉆頭滑動軸承的潤滑性能進行分析，發現當浮動套軸承的內外間隙比為2時滑動軸承有良好的綜合性能。HUANG等[5]將DH-60抗磨損涂層運用到滑動軸承表面，用于延長軸承的使用壽命，結果表明，抗磨損涂層的使用使軸承表面磨損降低了30%，軸承的平均使用壽命延長了12%。SUTO和TAKAHASHI[6]通過實驗研究了鉆頭軸承載荷對摩擦熱和溫度的影響，指出鉆井高溫環境及摩擦熱的形成將導致牙輪鉆頭滑動軸承從混合潤滑狀態向邊界潤滑的轉變，且摩擦熱導致的溫度持續升高將破壞徑向軸承的O形密封圈。FINK[7]對鉆井用潤滑劑進行了研究，并提出了一種合成潤滑介質，相對于傳統烴類潤滑脂具有黏度高、能在低溫環境下工作及良好的熱穩定性和氧化穩定性特點，有利于提高軸承的使用壽命。另外，WANG和HE等[8-10]針對牙輪鉆頭滑動軸承特殊工況，從表面織構對軸承材料的抗磨損性能和模擬工況下表面織構對軸承單元摩擦學性能影響兩方面進行實驗研究，結果表明，表面織構的存在能夠減輕工況下軸承的磨損情況，參數優化后的表面織構最大可減小78.8%的軸承磨損率。

盡管在針對牙輪鉆頭滑動軸承工況下的軸承結構優化、軸承潤滑及表面抗磨損上做了大量的研究，但都是基于密封狀況良好的基礎上，并未考慮高溫及沖擊載荷引起的鉆井液泄漏對滑動軸承造成的影響。因此，本文作者采用MCR102旋轉流變儀和MDW-1型摩擦磨損試驗機分別開展牙輪鉆頭滑動軸承模擬工況下復合鋰基潤滑脂流變性測試實驗及滑動軸承單元摩擦學實驗，研究高溫或沖擊載荷引起的鉆井液泄漏對牙輪鉆頭滑動軸承潤滑及摩擦磨損的影響機制，為進一步探索延長鉆井液泄漏工況下牙輪鉆頭滑動軸承使用壽命的有效方法提供實驗基礎。

1 潤滑脂流變性測試

1.1 實驗設備

潤滑脂流變性測試采用的設備為安東帕MCR102旋轉流變儀(如圖1所示)，MCR102流變儀主要由主機、控溫系統及相應的夾具組成，主機配置有控制和分析軟件以及空氣干燥過濾單元；控溫系統采用Peltier控溫同軸圓筒和平行板系統，控溫范圍為-30～200 ℃。

圖1 MCR102旋轉流變儀

1.2 材料及方法

(1)

式中：u為流速，m/s；dy為所取液面高度差，m。

表1鉆井液組成(質量分數)

Table 1 The composition and proportion of drilling fluid%

膨潤土FA367SMP-2SMCKClSNUA-1超細碳酸鈣潤滑油Barite水30.32250.5322557.2

通過式(1)可獲得實際滑動軸承尺寸下軸承轉速對應的實驗剪切速率，如表2所示。設計復合鋰基潤滑脂含鉆井液質量分數分別為0、10%、20%、30%、40%和50%，并進行了不同鉆井液質量分數下潤滑脂流變性測試實驗。測試的環境溫度為牙輪鉆頭滑動軸承實際溫度(110 ℃)。基于不同潤滑脂流變性測試結果，可分析鉆井液對潤滑脂黏度的影響。

表2 軸承轉速所對應的剪切速率

2 滑動軸承摩擦性實驗

由于現場工作環境的復雜性以及鉆井所需的成本較高，因此很難開展實際情況下鉆井液對牙輪鉆頭滑動軸承影響的實驗研究，因而文中通過開展牙鉆頭模擬工況下的單元摩擦學實驗，來研究鉆井液泄漏對牙輪鉆頭滑動軸承摩擦性性能的影響機制。

2.1 實驗設備與材料

牙輪鉆頭滑動軸承單元摩擦學實驗采用MDW-1型微機控制立式萬能摩擦磨損試驗機。如圖2所示，用銷試樣模擬滑動軸承軸頸，其材料與實際鉆頭滑動軸承軸頸材料相同，為20CrNiMo，經滲碳處理后其表面硬度為HRC60，精拋光處理后粗糙度為Ra0.8 μm；用盤試樣模擬滑動軸承軸套，其材料與鉆頭滑動軸承軸套材料相同，為鈹青銅，經強化處理后表面硬度為HRC36，拋光后的表面粗糙度為Ra0.8 μm。

實驗過程中，銷試樣與電機主軸相連并隨之旋轉，盤試樣固定于試驗機摩擦副平臺上，從而滿足銷、盤試樣間的相對運動要求。試樣表面間的加載力由渦輪蝸桿機構加載，摩擦因數由扭矩傳感器測量得到試樣接觸表面間的摩擦扭矩后經換算得到。

圖2 銷-盤摩擦副示意圖

2.2 單元摩擦學實驗方法

單元摩擦學實驗的實驗工況通過等效計算得到，即保證單元實驗時試樣間的接觸壓力與實際工況下的接觸壓力相同，速度和溫度則與實際工況一樣。因此，由三牙輪鉆頭滑動軸承的實際工況及復合鋰基潤滑脂與鉆井液不同比例混合情況，設計了110 ℃模擬溫度和435 N實驗載荷(模擬90 kN鉆壓下的接觸壓力)下，轉速分別為64、156、232 r/min，潤滑脂中鉆井液質量分數分別為0、10%、20%、30%、40%、50%的18種實驗工況，模擬分析密封泄漏工況下鉆井液對牙輪鉆頭滑動軸承摩擦副表面摩擦磨損的影響。每個單元實驗的時間為3 h，摩擦因數取1.5 h后穩定階段摩擦因數的平均值，磨損量為實驗前后銷-盤試樣的質量差，相同工況重復實驗3次，取平均值為對應工況下的摩擦因數和磨損量。實驗后使用白光干涉儀(布魯克生產)測量試樣的表面形貌。

3 結果與討論

3.1 鉆井液對潤滑脂流變性能的影響

圖3所示為在100～600 s-1剪切速率范圍內，不同質量分數鉆井液對復合鋰基潤滑脂黏度的影響。可以看出，在各剪切速率下，鉆井液污染的復合鋰基潤滑脂的黏度均小于無污染的復合鋰基潤滑脂的黏度，并且在鉆井液質量分數為40%、剪切速率為100 s-1條件下，潤滑脂黏度下降最大，為1 460 mPa·s。此外，盡管不同質量分數鉆井液對潤滑脂黏度的影響不完全相同，但從圖3中可以看出，隨剪切速率的增加，復合鋰基潤滑脂的黏度都呈現拋物線的下降趨勢，即在不同鉆井液質量分數下潤滑脂黏度隨剪切速率的變化趨勢基本相同。

圖3 鉆井液質量分數對復合鋰基潤滑 脂黏度的影響(110 ℃，435 N)

因此，在牙輪鉆頭軸承密封系統存在泄漏工況下，鉆井液的泄漏將降低復合鋰基潤滑脂的黏度，改變潤滑脂的流變性能，但復合鋰基潤滑脂黏度隨剪切速率增大而變化的趨勢并不會由于鉆井液的存在而改變。

3.2 鉆井液對滑動軸承摩擦性能的影響

圖4所示為牙輪鉆頭滑動軸承模擬工況下，復合鋰基潤滑脂中鉆井液質量分數為0～50%時對滑動軸承銷-盤單元表面摩擦因數的影響。可以看出，除轉速為64 r/min、鉆井液質量分數為10%，轉速為156 r/min、鉆井液質量分數為50%的實驗工況，其余工況下鉆井液的混入都增大表面摩擦因數；相同轉速下，不同質量分數鉆井液對摩擦因數的影響不同，其中摩擦因數增加的最大值出現在轉速為64 r/min、鉆井液質量分數為30%的實驗工況下，摩擦因數增加了0.043。

圖4 不同轉速下鉆井液質量分數對摩擦因數的影響

圖5示出了3種不同轉速下，摩擦因數隨鉆井液比例變化的綜合波動方差大小。

圖5 鉆井液質量分數對摩擦因數波動幅度的影響

可以看出，除鉆井液質量分數為10%外，其余質量分數下鉆井液與復合鋰基潤滑脂混合都將增大摩擦因數隨轉速變化的波動幅度，且鉆井液質量分數為30%時，摩擦因數的波動幅度最大，達到無污染復合鋰基潤滑脂潤滑條件下的4倍。

綜上，復合鋰基潤滑脂中鉆井液的混入將引起鉆頭滑動軸承摩擦因數的增加以及增大不同轉速下摩擦因數的波動幅度，但不同質量分數鉆井液對摩擦因數的影響不一樣，在文中研究條件下，鉆井液質量分數為30%對平均摩擦因數及摩擦因數的波動幅度影響最大。

圖6所示為復合鋰基潤滑脂中鉆井液質量分數為0～50%時對盤試樣磨損量的影響。從圖6(a)中可以看出，轉速為64 r/min下，鉆井液的污染均導致盤試樣的磨損量增加，且鉆井液質量分數為30%時盤試樣的磨損量最大。由圖6(b)可知，轉速為156 r/min時，除鉆井液質量分數為50%的情況，其余鉆井液質量分數下，盤試樣磨損量相比無鉆井液污染時均有所增加，且鉆井液質量分數為30%時磨損量最大。而由圖6(c)可知，當轉速增加至232 r/min時，質量分數20%的鉆井液就導致盤試樣磨損量達到最大。

圖6 不同轉速下鉆井液質量分數對盤試樣磨損量的影響

圖7所示為復合鋰基潤滑脂中鉆井液質量分數對銷試樣磨損量的影響。由圖7(a)可知，轉速為64 r/min時，鉆井液的存在均會增加銷單元試樣的磨損量，鉆井液質量分數為20%時銷試樣的磨損最為嚴重。由圖7(b)可知，轉速為156 r/min時，鉆井液的存在同樣均會增加銷試樣的磨損，當鉆井液質量分數為30%時磨損量最大。而由圖7(c)可知，轉速為232 r/min時，除鉆井液質量分數為30%的情況 ，其余鉆井液質量分數下，銷試樣的磨損量均大于無鉆井液泄漏工況。

圖7 不同轉速下鉆井液質量分數對銷試樣磨損量的影響

因此，鉆井液泄漏進入復合鋰基潤滑脂中會加快滑動軸承軸頸和軸套的磨損，且不同鉆井液質量分數和不同轉速時，滑動軸承軸頸和軸套試樣的磨損存在一定的差異。綜合文中的研究結果可以看出，轉速較低時，質量分數為30%的鉆井液對牙輪鉆頭滑動軸承摩擦學性能的影響最大；隨著轉速的提高，對牙輪鉆頭滑動軸承摩擦學性能影響最大的鉆井液質量分數下降至20%。

為更清楚地了解鉆井液對滑動軸承摩擦副性能的影響機制，圖8示出了156 r/min轉速下，復合鋰基潤滑脂中鉆井液質量分數為0～50%時對盤試樣表面形貌的影響。可知，與圖8(a)對比，圖8(b)、(c)、(d)、(e)、(f)中盤試樣表面磨痕更寬、更深。這是由于鉆井液中含有較多的超細碳酸鈣及重晶石顆粒，超細碳酸鈣和重晶石進入摩擦副表面隨摩擦副一起運動，對盤試樣表面的刮擦作用增加表面磨痕；或細小顆粒嵌入盤試樣表面，摩擦副相對運動時在盤試樣表面形成犁溝作用，因而在盤試樣表面形成更寬、更深的磨痕。此外，鉆井液質量分數為30%時，盤試樣表面形成的犁溝作用最嚴重。圖8中盤試樣的表面磨損形貌很好地解釋了圖4—7中鉆井液對牙輪鉆頭滑動軸承銷-盤單元試樣摩擦磨損的影響規律。

圖8 含不同質量分數鉆井液的脂潤滑下的盤試樣磨損形貌

Fig 8 Wear morphology of disk specimens lubricated by grease with different mass fraction of drilling fluid

4 結論

(1)由于鉆井液的稀化作用，相比于無污染復合鋰基潤滑脂，潤滑脂中存在鉆井液時將降低同剪切速率下潤滑脂的黏度，改變潤滑脂的流變性能，繼而影響牙輪鉆頭滑動軸承的潤滑特性。

(2)鉆井液泄漏進入復合鋰基潤滑脂，總體上將增大摩擦因數及其波動幅度，同時加大軸承的磨損；且較高轉速下，潤滑脂中較低含量的鉆井液就會使得軸承摩擦因數和磨損量達到最大值。

(3)由于鉆井液對復合鋰基潤滑脂流變性能的影響，以及鉆井液中較多超細碳酸鈣和重晶石顆粒帶來的試樣表面磨粒磨損和犁溝效應，鉆井液污染潤滑臘將導致牙輪鉆頭滑動軸承因快速磨損而失效。