井下鉆具金剛石止推軸承組振動特性研究*

張 偉 王 瑜 孫健越 張 凱 孔令镕

(中國地質大學(北京)工程技術學院；自然資源部深部地質鉆探技術重點實驗室)

0 引 言

隨著鉆探行業的發展，螺桿動力鉆具在中深孔中的應用越來越多。在螺桿動力鉆具中，止推軸承是連接鉆頭和鉆柱的關鍵零件，其承受著鉆頭切削地層和上部鉆桿摩擦孔壁所產生并傳遞過來的振動[1]、高溫高壓以及較大的軸向載荷[2]，易導致螺桿動力鉆具軸承損壞，嚴重影響鉆具的鉆進效率和可靠性[3-4]。金剛石軸承具有硬度高、導熱性能好、潤滑介質適應性強[5]以及自我拋光的能力[6]，十分適用于高溫動力鉆具軸承[7]。

國內外關于金剛石止推滑動軸承在井下馬達中應用的研究主要在材料的改進、介質潤滑效果和摩擦副摩擦特性的探索上[8]，在一定程度上延長了金剛石止推滑動軸承作業壽命。通過對止推軸承在實際工作中摩擦面的研究可以發現，摩擦片有崩裂的現象[9]，但在振動方面的研究國內外普遍還保持在鉆具整體的尺度上來進行分析[10-17]，沒有單獨針對動力鉆具止推軸承振動的特性進行分析[18]。為此，本文開展了關于金剛石止推軸承組振動特性研究，研究了金剛石止推軸承組的共振頻率，分析了各種類型振動信號對于金剛石止推軸承組的影響。研究結果可為金剛石止推軸承的推廣、普及以及設計改進提供試驗數據支持。

1 縱向振動模型研究

通過對井下鉆具的實際工況進行分析可知，鉆具的振動主要由鉆桿對井壁的摩擦、鉆頭切削地層以及地層性質的突然變換所產生。井下動力鉆具的軸承結構如圖1a所示。通過對振動產生的原因以及鉆具的結構進行分析，可將鉆具結構進行如下簡化：①將上端的鉆柱和地表上的天車看作固定端；②將“中性點”以上的鉆桿看作彈簧1，其彈性系數為k1；③將“中性點”以下的鉆柱、動力鉆具以及軸承組的外圈看作質量為m1的質量塊，其鉆壓用恒力Fh來代替；④止推軸承組中的兩組碟簧的作用是使得無論止推軸承受到向上或者向下的力時，都能有一個較大的力來支撐其運作，因此可以將兩組碟簧看作一根彈簧，其彈性系數為k2；⑤將止推軸承內圈、中心軸以及鉆頭看作質量為m2的質量塊；⑥將鉆頭和中心軸看作彈性系數為k3的彈簧3；⑦為了方便分析，將井下馬達產生的振動也加到質量塊m2上；⑧忽略井壁對鉆具的摩擦以及溫度對軸承性能的影響。簡化鉆具模型如圖1b所示。

1—動力鉆具；2—止推軸承組；3—碟簧；4—輸出軸；5、6、7—彈簧。

2 試驗裝置設計

本試驗的目的是對金剛石止推軸承在井下的工作環境進行模擬，主要考慮在振動和旋轉兩種狀態下，分析不同類型、不同頻率的振動對止推軸承組的影響。

通過查閱文獻以及對振動原理的了解并結合實驗室條件，設計了如圖2所示的試驗裝置。該試驗裝置具有以下3種功能：①該裝置能提供不同類型和不同頻率的振動信號；②在振動條件下，能保證軸承組的旋轉狀態；③能模擬鉆進地層時產生的振動。

振動信號的輸出由電動振動試驗系統來完成，其工作原理為：通過振動控制儀RC-3000對振動信號進行收集并穩定地向功率放大器SA-40輸出信號，功率放大器將接收到的信號進行放大然后傳到振動臺體上。

1—旋轉輸出臺；2—軸承支撐筒；3—支撐臺夾具；4—支撐臺；5—鉆桿；6—振動臺夾具；7—振動試驗臺。

根據實驗室條件，對模擬試驗臺進行如下簡化：①鉆柱在整個試驗過程中不旋轉，只傳遞振動信號；②鉆頭與地層之間的相對轉動通過固定鉆頭、旋轉底部夾持花崗巖的外筒來實現；③鉆頭與軸承組內圈相連、鉆柱與軸承組外圈相連，內、外圈相對轉動；④軸承組內、外圈之間的壓力通過旋轉外筒上的螺栓來調節。通過調節外筒的旋轉速度以及螺栓的松緊來還原實際的鉆進環境，具體如圖3所示。

1—鉆柱；2—止推軸承組；3—鉆頭；4—旋轉筒體；5—靜止部件；6—旋轉部件。

3 金剛石止推軸承組振動試驗研究

3.1 試驗系統信號布置

本試驗系統的振動信號由振動控制系統生成，經功率放大器將信號放大傳遞給振動臺實現對金剛石止推軸承組的激振。與此同時，安裝在金剛石止推軸承組上的加速度傳感器將收集到的振動信號反饋回振動控制系統，實現對振動信號的調整，保證止推軸承組上的振動信號與設置的振動信號一致。此時另設兩只傳感器用來收集止推軸承組上的響應信號，對收集到的信號進行分析即可了解振動對止推軸承組的影響。

3.2 金剛石止推軸承組共振特性

在一個物理系統的特定頻率下，所出現比其他頻率振幅更大的振動現象稱為共振。在實際的生產生活當中，共振會使機械結構承受更大的變形和應力，甚至破壞零件、縮短機械結構的使用壽命。因此本文首先借助RC-3000振動控制系統將掃頻范圍設定在10～1 000 Hz之間，應用其內置軟件對金剛石止推軸承進行掃頻工作，經過其內置的算法得到如圖4所示的頻譜圖。圖4中藍色曲線代表接收到的加速度信號值，黑色曲線代表輸出的控制加速度信號值。

圖4 金剛石止推軸承組頻率-幅值圖Fig.4 Frequency-amplitude of diamond thrust bearing pack

在試驗中，隨著掃頻頻率的增大，振動臺的振幅逐漸減小。當達到某一頻率時，噪聲明顯增大，隨著頻率的繼續增大，噪聲和振幅明顯減小；當頻率達到某一值時，又出現相同的情況。對頻譜圖進行分析可知，其共振頻率在50、90和200 Hz附近。

為了確定具體的共振頻率，接下來采用東華DH5922N動態信號測試分析系統，通過錘擊法來確定該系統的共振頻率，得到如圖5所示的頻譜圖。通過該頻譜圖可以發現，在0～200 Hz之間，在頻率為0、50、90和189 Hz時，振動劇烈。與上面掃頻得到的頻譜圖進行對比可以得出，共振頻率為50、90和189 Hz。

圖5 軸承-鉆桿頻譜圖Fig.5 Frequency spectrum of bearing-drill pipe

3.3 金剛石止推軸承組振動特性試驗研究

在金剛石止推軸承的實際工作中，其振動由多種因素共同影響，包括多種規律以及不規律的振動信號，其振動信號主要為以下3種：①鉆具與井底工作面產生的周期性振動信號；②由于鉆進地層性質突變而導致的階躍振動信號；③鉆頭切削地層而產生的鋸齒形振動信號。根據實驗室條件，很難模擬出不規律的周期性振動和階躍振動信號。因此本試驗通過RC-3000振動控制系統來分析不旋轉狀態下的金剛石止推軸承的周期性振動信號響應特征。

由于任何一種周期性函數都可以通過傅里葉變換分解為一系列的簡諧振動，所以本文通過簡諧振動來代替周期函數，對止推軸承組的振動特性進行研究。目前較為成熟的井下動力鉆具為螺桿馬達和渦輪鉆具，其轉速分別在90～150 r/min和400～800 r/min之間。假設其轉動一圈產生多次振動，則其振動頻率范圍可以達到4～90 Hz甚至更高。結合上一小節所得到的3個共振頻率，本節將分別分析40～60 Hz和80～100 Hz頻率段對軸承性能的影響。由于軸承組內外圈相對轉動時的作用關系不易監控，所以本文對靜止狀態的軸承組特性進行研究。本試驗在這兩個頻率段分別均勻地取5個頻率，但是由于儀器存在誤差，本試驗作用到軸承上的頻率值分別為44.9、46.9、50.8、52.7、56.6、82.0、85.9、89.8、91.8和95.7 Hz，試驗所得的部分頻譜圖如圖6所示。

圖6 簡諧振動在40～100 Hz頻段內的響應Fig.6 Response of simple harmonic vibration in 40～100 Hz frequency

將圖6中各通道在不同頻率下的幅值進行統計得到表1。通過分析表1可以發現：在頻率范圍為40～60 Hz時，軸承組內外圈的幅值相差較小，說明該頻率范圍內軸承組內外圈的同步性好；在頻率范圍為80～100 Hz時，軸承組內外圈的幅值相差較大，同步性不好。針對這一問題，接下來通過錘擊法對軸承組外圈的共振頻率進行測量，得到如圖7所示的軸承組內外圈的頻譜對比圖。從圖7可以看出，內、外圈的振動幅值不一樣，因此在對止推軸承組進行振動分析時，需要對內、外圈分別進行研究，同時也證明了在第2節的模型建立中將軸承組內外圈分開建模是正確的。

圖7 錘擊法測量對比止推軸承內外圈頻譜圖Fig.7 Frequency spectrum of internal and external rings of thrust bearing measured and compared by hammering method

表1 不同頻率下金剛石止推軸承組內外圈振動響應Table 1 Vibratory responses of internal and external rings of diamond thrust bearing pack at different frequencies

3.4 模擬鉆進情況下振動特性研究

通過緊固振動臺夾具上的螺栓實現鉆具軸向的固定，旋轉外筒帶動固定的巖樣旋轉可實現模擬鉆進。試驗流程如下：①通過變頻器實現對轉速的調控，明確變頻器頻率與電機轉速間的轉換關系，確定表2中7組測試參數；②在金剛石止推軸承組內圈安裝一只加速度傳感器測量止推軸承內圈振動響應；③通過手持DH5909動態數據采集儀收集響應信號；④分別對振動信號進行頻率范圍、周期性分析，通過數據采集儀自帶分析軟件對信號進行FFT處理，獲得平均譜進行分析。

表2 旋轉參數對應表Table 2 Corresponding rotation parameters

通過試驗測量可得如圖8所示的各組數據。對圖8進行分析和統計可以得出，在5.12 s內第1～7組的激振次數分別為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0和6.5次。通過對該數據進行分析可知，在鉆進巖石過程中磨削巖層產生的振動存在一定周期性。對每次激振波前后對比可明顯看出，每次大激振之前小激振信號較之后激振信號要強，該現象驗證了在鉆進過程中是大切削和小切削在相互交替進行。

對圖8中各時域信號進行FFT分析，這里取第2組和第7組進行分析，得到如圖9和圖10所示的頻譜圖。對比兩圖可以發現，隨著轉速的提升，頻域中幅值小的波峰變密，但整體看來，共振頻率附近的振幅較高，轉速增高時，高頻區域共振被激發。

圖8 切削振動信號響應Fig.8 Response of cutting vibration signal

圖9 轉速為26.7 r/min時的頻譜分析圖Fig.9 Spectrum analysis at rotary speed of 26.7 r/min

圖10 轉速為63.7 r/min時的頻譜分析圖Fig.10 Spectrum analysis at rotary speed of 63.7 r/min

4 結 論

(1)對井下鉆具的結構和功能進行分析，建立了金剛石止推軸承組縱向物理模型以及其對應的簡化模型。

(2)根據實驗室條件，建立了以振動試驗儀為基礎的振動試驗裝置，該裝置能測量旋轉和振動狀態下的軸承組各部件的振動響應趨勢，并且能模擬井下鉆頭實際鉆進時所產生的振動信號。

(3)通過對軸承組進行掃頻試驗，得到其共振頻率范圍，并通過錘擊法得到具體共振頻率，然后通過試驗分析共振頻率附近頻率段對軸承性能的影響。通過試驗可以看出，實際工況中軸承組在40～60 Hz頻率段，內外圈振動的同步性較好，但在不同頻率下響應幅值相差較大，驗證了將止推軸承組的內外圈分開進行分析是正確的。

(4)模擬了實際鉆進的振動信號，分析了該振動信號對止推軸承組的響應，驗證了PDC鉆頭在切削過程中存在大切削和小切削的現象。