PDC推力軸承工作環境因素對熱失效影響規律的仿真

段晨偉

（長江大學，荊州 451199）

在針對中西部深層次地區小尺寸渦輪鉆具的研發過程中，隨著項目研究的深入，發現小尺寸渦輪鉆具推力軸承的研制存在諸多問題，其中推力軸承成為限制渦輪鉆具壽命的關鍵元件。聚晶金剛石復合材料（Polycrystalline Diamond Composite，PDC）具有高耐磨性。克朗普頓等人研究了天然金剛石對自身和其他材料的摩擦系數和磨損率，發現金剛石的摩擦系數和磨損率遠遠低于其他材料[1]。KESHAVAN和COOK對PDC軸承展開測試，重點探究PDC軸承的摩擦和磨損失效[2]。結論表明，機械磨損對PDC材料的影響微乎其微。SEXTON在對PDC軸承的高溫測試中發現，PDC材料在800 ℃時會發生相變，金剛石開始大范圍降解為石墨，硬度和耐磨性大大減小[3]。這導致軸承發生劇烈的機械磨損，工作壽命急劇縮短，直至完全失效[4]。

1 PDC軸承復合片實驗室高溫測試

PDC軸承在常溫至800 ℃高溫下發生的變化，如圖1所示。在常溫條件下，PDC軸承上的PDC插入復合片。表面光滑如新，完好無損。隨著溫度的逐漸升高，在達到一定高溫時的變化情況。表面隨著運行已經開始出現些許劃痕，表面的光澤度也明顯下降。究其原因，高溫破壞了金剛石內部的部分化學鍵，導致其材質由金剛石向石墨轉化，材料性能下降。溫度達到800 ℃后，PDC插入復合片開始大規模轉化為石墨，PDC軸承的工作性能大幅下降，耐磨性無法達到要求，磨損嚴重，直至軸承徹底失效。此時，表面磨損明顯，無法繼續工作。這一過程明確了PDC軸承插入復合片的失效機理和失效機制，為之后的PDC軸承失效規律探索奠定了基礎。

PDC材料由于其內部的特殊結構，相較其他材料來說具有極高的硬度和耐磨性，摩擦因數較低，導熱性通常是鋼材的10倍，可應用于小尺寸渦輪鉆具推力軸承的設計。因此，探究外部因素對PDC軸承失效的影響規律，可對PDC推力軸承的研究設計和實際應用提供重要的參考和指導意義。

對PDC推力軸承建模，利用ANSYS Workbench軟件進行熱力耦合分析，以800 ℃為軸承的熱失效臨界點，通過改變軸承轉速和改變軸承流量，分別得到PDC軸承熱失效時（極限狀況）軸承轉速和壓載的關系、軸承流量和壓載的關系等規律。

2 PDC軸承生熱理論分析

小尺寸渦輪鉆具PDC推力軸承工作時外部熱源遠遠不足，導致PDC復合片發生材料相變。熱量主要來自PDC軸承復合片運動過程中由于摩擦產生的熱量H。在PDC軸承工作過程中，散熱部分主要分為兩部分：一是PDC軸承本身的散熱H1（軸承向周圍環境散發自身熱量的趨勢）；二是工作時通過軸承PDC復合片的冷卻液在流動過程中帶走的熱量H2。帶走的熱量H2大小與PDC軸承復合片之間的間隙和冷卻液的流量大小有關。

三者之間的關系為

運動過程中摩擦生成的熱量H為

PDC軸承本身的散熱H1為

通過軸承冷卻液所帶走的熱量H2為

式中：f為軸承的摩擦因數；p為軸承的平均壓強，Pa；v為軸承的線速度，m·s-1；Cp為液體的比熱容，鉆井泥漿比熱容為3.2～3.5 J·g-1·℃-1；p為清水密度，取1.1～1.3 g·cm-3；Q為流量，m3·s-1；t0為液體的出口溫度，℃；t1為液體的入口溫度，℃；αs為軸承表面傳熱系數；πdB為軸承散熱面積。

3 PDC軸承承載面積

PDC軸承處于運動狀態時，軸承動環和靜環之間的接觸面積處于時刻變化中，存在最大軸承接觸面積和軸承最小接觸面積。為保證軸承的平穩運行，軸承靜環和動環之間接觸的復合片數量最好為偶數和奇數。動、靜環復合片接觸面積變化示意圖。在考慮軸承工況條件和復合片相互間隙對復合片進行合理分布后，最大接觸面積和最小接觸面積的差值處于一個較小的范圍，同時軸承的復合片接觸面積大小處于一種規律性的變化。

4 PDC推力軸承熱失效仿真實驗

為更好地模擬和預測PDC推力軸承在井下的運行情況，對其進行了一系列仿真實驗。例如，模擬井下高溫環境下對推力軸承施加高轉速、高載荷的極限工況，再根據軸承的最高溫升是否達到800 ℃（造成PDC材料熱失效）進行規律的推理總結。

工作溫度為200 ℃，工作介質為清水，動環布片數為21，靜環布片數為20，節圓直徑為Φ45.5 mm，布片直徑為Φ45.5 mm。為節省資源，對軸承模型進行一定程度的簡化，去除倒角和不必要的零部件。軸承動靜環之間的接觸面積處于不斷變化中，為230.49～230.92 mm2，故取平均值230.71 mm2。

圖1 PDC軸承模型

4.1 材料屬性及參數

軸承復合片材料為PDC，動靜環基座皆為42CrMo，具體屬性見表1[5]。

表1 軸承材料熱物理特性

4.2 接觸及載荷設置

接觸形式為顯式面面接觸。第一接觸面由動環的復合片上表面及柱面和動環座上表面組成，第二接觸面由靜環的復合片上表面及柱面和靜環座上表面組成。摩擦面之間的摩擦系數取0.06，計算時間設置為0.15 s。對模型進行網格劃分，單元類型為六面體網格（Hexa），劃分采取MultiZone方法，單元大小為1～4 mm。

對動環施加轉動約束，限制動環在平面上的左右移動，通過動環的角速度控制動環的轉動。限制靜環整體的6個自由度，對整個軸承施加對應的熱對流條件，并對動環施加對應的轉速，再對動環上表面施加軸向載荷，由動環指向靜環。

4.3 極限狀況下軸承轉速與壓力關系的測試方法

軸承轉速、流量一定時，以軸承PDC復合片上的溫度達到800 ℃為判斷基準，通過改變施加在軸承軸向的載荷大小，確定PDC推力軸承在此條件下的臨界載荷。不斷改變軸承轉速，重復上述實驗，得出PDC推力軸承關于轉速和載荷之間熱失效的規律。流量為Q，大小為5 m3·s-1。軸承轉速設置為400 r·min-1、800 r·min-1、1 200 r·min-1、1 600 r·min-1和2 000 r·min-1。

4.4 極限狀況下流量與載荷關系的測試方法

軸承轉速、流量一定時，以軸承PDC復合片上的溫度達到800 ℃為判斷基準，通過改變施加在軸承軸向的載荷大小，確定PDC推力軸承在此轉速下的臨界載荷。不斷改變流量的大小，重復上述實驗，得出PDC推力軸承熱失效中關于流量和載荷的規律。軸承轉速為2 000 r·min-1，軸承流量Q為1 m3·s-1、2 m3·s-1、3 m3·s-1、4 m3·s-1和5 m3·s-1。

5 PDC推力軸承測試結果

5.1 極限狀況下PDC復合片線速度與軸向力的關系

由圖2可得出，在PDC推力軸承熱失效的極限狀況下，PDC復合片線速度與軸向力呈負指數相關。換言之，PDC軸承的轉速越高，造成熱失效所需的軸向力就越小；PDC軸承的轉速越低，造成熱失效所需的軸向力越高。

圖2 線速度與軸向力之間的關系曲線

5.2 極限狀況下通過軸承流量大小與軸向力的關系

從圖3可得出，通過軸承的流量大小與軸承熱失效所需的壓載大小呈正相關。通過改變軸承流量的大小可有效控制軸承熱失效的發生。

圖3 軸承流量大小與軸向力之間的關系

6 結論

PDC軸承因其具有高耐磨、承載能力高等顯著優點，被應用于制作井下工具。對PDC推力軸承熱失效的相關因素進行仿真分析，探索和總結其影響規律，對實際工作應用具有指導意義。

在PDC軸承熱失效（800 ℃）的極限狀況下，PDC軸承的轉速和軸向力呈負指數相關，可以為PDC軸承的設計和應用提供參考。

在極限狀況下，通過軸承的流量大小與PDC軸承的軸向力大小呈正相關，表明流量可帶走PDC復合片因摩擦產生的熱量。因此，通過改變流量大小可有效防止PDC軸承熱失效的發生。