螺杆钻具用新型推力球轴承的设计及力学分析_许庆刚
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XU Qing-Gang1， SUN Xuan-Meng2， ZHANG Ji-Sheng3 （1.The Great Wall Drilling Engineering Company Limited, Panjin Liaoning 124000, China ；
2. Railway Service Section, Beijing Railway Administration, Beijing 100077, China ； 3. Shunan Gas Mine of Southwest Oil and Gas Field Branch, PCL, Luzhou Sichuan 646000, China) Abstract: The thrust bearing group is one weak link of PDM （positive displacement motor) drill, which affects the service life of the drilling tool. A new thrust ball bearing group in PDM drill was improved. The mechanics analysis was finished by using finite element software, and the effects of axial load, ball diameter and raceway curvature radius on the mechanical properties of ball bearing were studied. The result shows that the stress of the improved structure is smaller compared with the conventional four-point contact ball bearing. And, the equivalent stress and contact stress of the ball increased with the increase of axial load, raceway curvature radius, and decreased with the increase of ball diameter with a nonlinear law. Key words: PDM； thrust ball bearing； finite element； mechanical properties
修稿日期： 2014－12－18 作者简介： 许庆刚（1965-），男，山东人，工程师。 主要从事机械 设计及力学分析相关工作。
轴和传动轴壳体损坏的有 102 套， 约占螺杆钻具损坏成 因的 57%， 其中寿命不超过 60h 的绝大部分问题都出在 传动轴上[2]。 长庆油田勘探局钻井二处统计螺杆钻具 137 套， 其中报废 58 套， 修复 79 套， 由于推力轴承损坏的 29 套 ， 占 失 效 总 数 的 21.2%[3]。 因 而 本 文 对 螺 杆 钻 具 用 的四点接触推力球轴承进行了结构改进， 设计了一种新 型推力球轴承， 并对其力学性能进行了分析。
3.3 滚道曲率半径
当 滚 珠 的 直 径 为 19 mm 时 ， 轴 承 内 外 圈 滚 道 的 曲 率半径取不同值时， 滚珠的最大等效应力和接触应力如 图 6 所示。 由图可知， 随着滚道直径的增大， 滚珠的最 大等效应力和接触应力均增大， 但表现出了极大的非线 性， 当滚道 直 径 小 于 21.5mm 时 ， 滚珠 应 力 值 的 变 化 率 较大， 而 当 滚 珠 直 径 大 于 21.5mm 时 ， 两 种应 力 值 的 变 化逐渐变缓。 但是滚道曲率直径的设计并不是越小越 好， 如果太小， 则不能与滚珠相配合， 如果过大， 则会 影响滚珠的受力及动力学性能。
关键词： 螺杆钻具； 推力球轴承； 有限元； 力学性能 中图分类号： TE921.2 文献标识码： A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.011
Structure Improvement and Mechanics Analysis of the Thrust Ball Bearing for PDM
of thrust ball bearing
约 束 。 当 钻 压 为 100kN 时 ， 求 得 轴 向 载 荷 为 31kN， 在 轴承外圈的上表面施加相当 的均布载荷。
3 推力球轴承的力学分析
图 3 为推力球轴承中， 滚珠与轴承内外圈的接触应 力云图。 从图中可以看出， 滚珠的接触应力呈椭圆形分 布， 且 长 轴 较 长 。 滚 珠 的 最 大 接 触 应 力 为 2.11GPa， 小 于 文 献[4]中四 点 球 轴 承 的 最 大 接 触应 力 2.768GPa，说 明 了对推力球轴承进行改进后， 其疲劳寿命更长， 因而这 种结构设计较为合理。
每组轴承的滚珠数为 17， 滚珠直 径 为 19 mm， 内外圈的滚道曲率半径 均 为 10 mm。 轴 承 材 料 为 55SiMoVA 钢 ， 弹 性
模量为 210GPa， 泊松比为 0.3， 密度为 7800kg/m3。 采用
8 节点线型六面体单元 C3D8R 对模型进行网格划分， 划
来自百度文库
分网格后的有限元模型如图 2 所示。 对接触部位的网格
33
·开 发 与 创 新·
裂， 降低轴承的使用寿命。
表 １ 轴承内外圈随滚珠直径变化的应力值 Ｔａｂ．１ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｎｎｅｒ ｒｉｎｇ ａｎｄ ｏｕｔｅｒ ｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂａｌｌ
ｄｉａｍｅｔｅｒ
滚珠直径 /mm
18.0 18.5 19.0 19.5 20.0
径向力。 1
2 2 有限元计算模型
3
为了研究改进后推
4 力球轴承的力学性能，
在有限元软件中建立了
推力球轴承的力学模型，
1.轴承内圈 2.滚珠 3.滑套 4.轴承外圈 图 1 常规推力球轴承组结构 Fig.1 Conventional thrust ball
bearing group structure
3.2 滚珠直径
由于螺杆钻具推力球轴承组中的滚珠为满排布置， 无轴承保持架， 因而滚珠的直径不但影响滚珠的个数， 同时对轴承的力学性能也有较大的影响。 图 5 为在相同 载荷工况下， 滚珠的最大等效应力和最大接触应力随滚 珠直径的变化曲线。 从图中可以看出， 无论是等效应力 还是接触应力均随着滚珠直径的增大而减小， 但并不完 全是线性变化。 说明增大滚珠的直径可以改善其受力状
进行细化， 使其能够更好地捕捉到接触状态的变化， 进
而保证有限元仿真结果的准确性。
模型的下端为推力轴承
的内圈， 上端为推力轴承的
外圈。 根据推力轴承的承载
工况， 对轴承内圈的底面施
加固定约束， 对内圈的内圆
柱面和外圈的外圆柱面施加
除螺杆轴向方向以外的所有
图 2 推力球轴承有限元模型 Fig.2 Finite element model
轴 承 外 圈 应 力 极 值 /MPa
等效应力 接触应力
923.2
1677
872.9
1592
807.9
1469
752.2
1374
678.7
1242
轴 承 内 圈 应 力 极 值 /MPa
等效应力 接触应力
945.9
1772
914.3
1683
850.1
1558
770.2
1408
670.2
1222
表 1 所示为轴承内、 外圈的等效应力与滚珠接触应 力的应力极值。 从表中可知， 无论是轴承内圈还是轴承 外圈， 其等效应力和接触应力均随着滚珠直径的增大而 减小， 但都呈现非线性规律变化。 无论在何种球径下， 轴承外圈的等效应力和接触应力均小于轴承内圈， 说明 在同种工况下， 轴承的外圈比轴承内圈更容易发生失效。
许庆刚 1， 孙璇甍 2， 张继升 3
（1. 长城钻探工程有限公司 委内瑞拉综合项目部， 辽宁 盘锦 124000； 2. 北京铁路局 北京工务段， 北京 100077； 3.中国石油西南油气田分公司 蜀南气矿工艺研究院， 四川 泸州 646000）
摘 要： 推力轴承组是螺杆钻具传动轴总成中的薄弱环节之一， 它直接影响着螺杆钻具的使用寿命。 在传统 四点接触球轴承的基础上设计了一种新型推力球轴承。 并利用有限元软件对设计的推力球轴承进行 了力学分析， 研究了轴向载荷、 滚珠直径和滚道曲率半径对其力学性能的影响。 结果发现， 与常规 的四点接触球轴承相比， 改进后的推力球轴承较的应力更小。 其中， 滚珠的等效应力和接触应力随 轴向载荷和滚道曲率半径的增大而增大， 随着滚珠直径的增大而减小， 且均成非线性规律变化。
（a）滚珠与轴承外圈的接触应力 （b） 滚珠与轴承内圈的接触应力
图 3 轴承的接触应力云图 Fig.3 Contact stress nephogram of bearing
态， 但并不是越大越好。 因为螺杆钻具推力轴承组的结 构空间有限， 如果滚珠的直径过大， 每列中的滚珠数目 就会减少， 也会降低整个轴承的承载能力， 同时也会导 致轴承内外圈的结构过于单薄， 容易引起套圈的过早断
第 28 卷第 1 期 ·开20发15与年创1新月·
机电产品开发与创新
Development ＆ Innovation of Machinery ＆ Electrical Products
文章编号： 1002－6673 （2015） 01－032－03
Vol．28,No．1 Jan．,2015
螺杆钻具用新型推力球轴承的设计及力学分析
应力值 σ/MPa
3200 2800
最大接触应力
2400
2000
1600
1200 800
最大等效应力
400
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
轴向载荷 F/kN
图 4 滚珠应力随轴向载荷变化曲线 Fig.4 Stress of ball with the axial load
2700
2400
最大接触应力
2100
应力值 σ/MPa
1800
1500
1200
最大等效应力
900
600
300 17.7
18.0 18.3 18.6 18.9 19.2 19.5 19.8 20.1
滚珠直径 d/mm
图 5 滚珠应力随直径变化曲线 Fig.5 Stress of ball with the diameter of ball
0 引言
螺杆钻具的传动轴总成主要由主轴壳体、 传动轴、 推力轴承组、 径向滑动轴承和其他辅助零件等组成。 其 中的推力轴承组为多级串联的四点接触球轴承， 一般为 5～13 级 ， 这 种 轴 承 能 够 承 受 较 大 的 轴 向 载 荷 ， 占 用 空 间小， 结构紧凑， 而且可以承受双向载荷[1]。 由于井底恶 劣的工作环境， 经常发生过早的失效， 如滚珠和滚道的 磨损、 破裂等， 缩短了整个螺杆钻具的使用寿命， 影响 了钻进速度。 如 2005～2006 年间长庆石油勘探局西川石 油工具厂修理的 178 套螺杆钻具中， 因推力轴承、 传动
3.1 轴向载荷的影响
图 4 为滚珠的最大等效应力和接触应力随轴向载荷 的变化曲线。 由图可知， 滚珠的接触应力大于其等效应 力， 两种应力随轴向载荷的增大而增大， 但是均呈现出 非线性规律。 当 轴向 载 荷 小 于 20kN 时 ， 等 效 应 力 和接 触应力的变化率 较 大 ， 当 载 荷 超 过 20kN 时 ， 应 力 的 变 化率变缓。 随着轴向载荷的增大， 接触应力和等效应力 的差值越来越大。 说明， 当推力球轴承组承受的轴向载 荷突然增大时， 会导致滚珠的等效应力和接触应力发生 突变， 在冲击较为剧烈的工况下， 容易造成滚珠的破裂。
1 推力球轴承组的设计
图 1 为本文设计的螺杆钻具用推力球轴承组。 这 种推力球轴承结构与普通推力球轴承的结构基本相 同， 它主要由轴承外圈、 内圈、 滚珠和套筒等组成， 在 这种推力轴承组中， 钻井液通道呈 “迷宫式” 结构， 相 对于“直通式” 结构其冷却效果更好， 而且不容易产生
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·开 发 与 创 新·
2. Railway Service Section, Beijing Railway Administration, Beijing 100077, China ； 3. Shunan Gas Mine of Southwest Oil and Gas Field Branch, PCL, Luzhou Sichuan 646000, China) Abstract: The thrust bearing group is one weak link of PDM （positive displacement motor) drill, which affects the service life of the drilling tool. A new thrust ball bearing group in PDM drill was improved. The mechanics analysis was finished by using finite element software, and the effects of axial load, ball diameter and raceway curvature radius on the mechanical properties of ball bearing were studied. The result shows that the stress of the improved structure is smaller compared with the conventional four-point contact ball bearing. And, the equivalent stress and contact stress of the ball increased with the increase of axial load, raceway curvature radius, and decreased with the increase of ball diameter with a nonlinear law. Key words: PDM； thrust ball bearing； finite element； mechanical properties
修稿日期： 2014－12－18 作者简介： 许庆刚（1965-），男，山东人，工程师。 主要从事机械 设计及力学分析相关工作。
轴和传动轴壳体损坏的有 102 套， 约占螺杆钻具损坏成 因的 57%， 其中寿命不超过 60h 的绝大部分问题都出在 传动轴上[2]。 长庆油田勘探局钻井二处统计螺杆钻具 137 套， 其中报废 58 套， 修复 79 套， 由于推力轴承损坏的 29 套 ， 占 失 效 总 数 的 21.2%[3]。 因 而 本 文 对 螺 杆 钻 具 用 的四点接触推力球轴承进行了结构改进， 设计了一种新 型推力球轴承， 并对其力学性能进行了分析。
3.3 滚道曲率半径
当 滚 珠 的 直 径 为 19 mm 时 ， 轴 承 内 外 圈 滚 道 的 曲 率半径取不同值时， 滚珠的最大等效应力和接触应力如 图 6 所示。 由图可知， 随着滚道直径的增大， 滚珠的最 大等效应力和接触应力均增大， 但表现出了极大的非线 性， 当滚道 直 径 小 于 21.5mm 时 ， 滚珠 应 力 值 的 变 化 率 较大， 而 当 滚 珠 直 径 大 于 21.5mm 时 ， 两 种应 力 值 的 变 化逐渐变缓。 但是滚道曲率直径的设计并不是越小越 好， 如果太小， 则不能与滚珠相配合， 如果过大， 则会 影响滚珠的受力及动力学性能。
关键词： 螺杆钻具； 推力球轴承； 有限元； 力学性能 中图分类号： TE921.2 文献标识码： A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.011
Structure Improvement and Mechanics Analysis of the Thrust Ball Bearing for PDM
of thrust ball bearing
约 束 。 当 钻 压 为 100kN 时 ， 求 得 轴 向 载 荷 为 31kN， 在 轴承外圈的上表面施加相当 的均布载荷。
3 推力球轴承的力学分析
图 3 为推力球轴承中， 滚珠与轴承内外圈的接触应 力云图。 从图中可以看出， 滚珠的接触应力呈椭圆形分 布， 且 长 轴 较 长 。 滚 珠 的 最 大 接 触 应 力 为 2.11GPa， 小 于 文 献[4]中四 点 球 轴 承 的 最 大 接 触应 力 2.768GPa，说 明 了对推力球轴承进行改进后， 其疲劳寿命更长， 因而这 种结构设计较为合理。
每组轴承的滚珠数为 17， 滚珠直 径 为 19 mm， 内外圈的滚道曲率半径 均 为 10 mm。 轴 承 材 料 为 55SiMoVA 钢 ， 弹 性
模量为 210GPa， 泊松比为 0.3， 密度为 7800kg/m3。 采用
8 节点线型六面体单元 C3D8R 对模型进行网格划分， 划
来自百度文库
分网格后的有限元模型如图 2 所示。 对接触部位的网格
33
·开 发 与 创 新·
裂， 降低轴承的使用寿命。
表 １ 轴承内外圈随滚珠直径变化的应力值 Ｔａｂ．１ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｎｎｅｒ ｒｉｎｇ ａｎｄ ｏｕｔｅｒ ｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂａｌｌ
ｄｉａｍｅｔｅｒ
滚珠直径 /mm
18.0 18.5 19.0 19.5 20.0
径向力。 1
2 2 有限元计算模型
3
为了研究改进后推
4 力球轴承的力学性能，
在有限元软件中建立了
推力球轴承的力学模型，
1.轴承内圈 2.滚珠 3.滑套 4.轴承外圈 图 1 常规推力球轴承组结构 Fig.1 Conventional thrust ball
bearing group structure
3.2 滚珠直径
由于螺杆钻具推力球轴承组中的滚珠为满排布置， 无轴承保持架， 因而滚珠的直径不但影响滚珠的个数， 同时对轴承的力学性能也有较大的影响。 图 5 为在相同 载荷工况下， 滚珠的最大等效应力和最大接触应力随滚 珠直径的变化曲线。 从图中可以看出， 无论是等效应力 还是接触应力均随着滚珠直径的增大而减小， 但并不完 全是线性变化。 说明增大滚珠的直径可以改善其受力状
进行细化， 使其能够更好地捕捉到接触状态的变化， 进
而保证有限元仿真结果的准确性。
模型的下端为推力轴承
的内圈， 上端为推力轴承的
外圈。 根据推力轴承的承载
工况， 对轴承内圈的底面施
加固定约束， 对内圈的内圆
柱面和外圈的外圆柱面施加
除螺杆轴向方向以外的所有
图 2 推力球轴承有限元模型 Fig.2 Finite element model
轴 承 外 圈 应 力 极 值 /MPa
等效应力 接触应力
923.2
1677
872.9
1592
807.9
1469
752.2
1374
678.7
1242
轴 承 内 圈 应 力 极 值 /MPa
等效应力 接触应力
945.9
1772
914.3
1683
850.1
1558
770.2
1408
670.2
1222
表 1 所示为轴承内、 外圈的等效应力与滚珠接触应 力的应力极值。 从表中可知， 无论是轴承内圈还是轴承 外圈， 其等效应力和接触应力均随着滚珠直径的增大而 减小， 但都呈现非线性规律变化。 无论在何种球径下， 轴承外圈的等效应力和接触应力均小于轴承内圈， 说明 在同种工况下， 轴承的外圈比轴承内圈更容易发生失效。
许庆刚 1， 孙璇甍 2， 张继升 3
（1. 长城钻探工程有限公司 委内瑞拉综合项目部， 辽宁 盘锦 124000； 2. 北京铁路局 北京工务段， 北京 100077； 3.中国石油西南油气田分公司 蜀南气矿工艺研究院， 四川 泸州 646000）
摘 要： 推力轴承组是螺杆钻具传动轴总成中的薄弱环节之一， 它直接影响着螺杆钻具的使用寿命。 在传统 四点接触球轴承的基础上设计了一种新型推力球轴承。 并利用有限元软件对设计的推力球轴承进行 了力学分析， 研究了轴向载荷、 滚珠直径和滚道曲率半径对其力学性能的影响。 结果发现， 与常规 的四点接触球轴承相比， 改进后的推力球轴承较的应力更小。 其中， 滚珠的等效应力和接触应力随 轴向载荷和滚道曲率半径的增大而增大， 随着滚珠直径的增大而减小， 且均成非线性规律变化。
（a）滚珠与轴承外圈的接触应力 （b） 滚珠与轴承内圈的接触应力
图 3 轴承的接触应力云图 Fig.3 Contact stress nephogram of bearing
态， 但并不是越大越好。 因为螺杆钻具推力轴承组的结 构空间有限， 如果滚珠的直径过大， 每列中的滚珠数目 就会减少， 也会降低整个轴承的承载能力， 同时也会导 致轴承内外圈的结构过于单薄， 容易引起套圈的过早断
第 28 卷第 1 期 ·开20发15与年创1新月·
机电产品开发与创新
Development ＆ Innovation of Machinery ＆ Electrical Products
文章编号： 1002－6673 （2015） 01－032－03
Vol．28,No．1 Jan．,2015
螺杆钻具用新型推力球轴承的设计及力学分析
应力值 σ/MPa
3200 2800
最大接触应力
2400
2000
1600
1200 800
最大等效应力
400
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
轴向载荷 F/kN
图 4 滚珠应力随轴向载荷变化曲线 Fig.4 Stress of ball with the axial load
2700
2400
最大接触应力
2100
应力值 σ/MPa
1800
1500
1200
最大等效应力
900
600
300 17.7
18.0 18.3 18.6 18.9 19.2 19.5 19.8 20.1
滚珠直径 d/mm
图 5 滚珠应力随直径变化曲线 Fig.5 Stress of ball with the diameter of ball
0 引言
螺杆钻具的传动轴总成主要由主轴壳体、 传动轴、 推力轴承组、 径向滑动轴承和其他辅助零件等组成。 其 中的推力轴承组为多级串联的四点接触球轴承， 一般为 5～13 级 ， 这 种 轴 承 能 够 承 受 较 大 的 轴 向 载 荷 ， 占 用 空 间小， 结构紧凑， 而且可以承受双向载荷[1]。 由于井底恶 劣的工作环境， 经常发生过早的失效， 如滚珠和滚道的 磨损、 破裂等， 缩短了整个螺杆钻具的使用寿命， 影响 了钻进速度。 如 2005～2006 年间长庆石油勘探局西川石 油工具厂修理的 178 套螺杆钻具中， 因推力轴承、 传动
3.1 轴向载荷的影响
图 4 为滚珠的最大等效应力和接触应力随轴向载荷 的变化曲线。 由图可知， 滚珠的接触应力大于其等效应 力， 两种应力随轴向载荷的增大而增大， 但是均呈现出 非线性规律。 当 轴向 载 荷 小 于 20kN 时 ， 等 效 应 力 和接 触应力的变化率 较 大 ， 当 载 荷 超 过 20kN 时 ， 应 力 的 变 化率变缓。 随着轴向载荷的增大， 接触应力和等效应力 的差值越来越大。 说明， 当推力球轴承组承受的轴向载 荷突然增大时， 会导致滚珠的等效应力和接触应力发生 突变， 在冲击较为剧烈的工况下， 容易造成滚珠的破裂。
1 推力球轴承组的设计
图 1 为本文设计的螺杆钻具用推力球轴承组。 这 种推力球轴承结构与普通推力球轴承的结构基本相 同， 它主要由轴承外圈、 内圈、 滚珠和套筒等组成， 在 这种推力轴承组中， 钻井液通道呈 “迷宫式” 结构， 相 对于“直通式” 结构其冷却效果更好， 而且不容易产生
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