CN103453021B - 织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试方法。本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴颈与轴承之间设有润滑介质，其中所述轴颈采用20CrNiMo材料制成，所述轴承采用铍青铜材料制成，在所述轴承的内表面上设有表面织构，所述表面织构为沿轴承圆周方向为均匀分布/交错分布的若干圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑。本发明针对牙轮钻头滑动轴承的工况和特殊结构，通过微观结构优化提出圆柱形和椭圆形织构参数组合的滑动轴承来改善传统钻头轴承黏着失效问题，从而延长牙轮钻头的使用寿命。

Description

织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试方法

技术领域

本发明涉及井下工具摩擦学领域，尤其是一种含有表面织构的滑动轴承及摩擦学性能测试方法。

背景技术

牙轮钻头的寿命一直是钻井工程中需要考虑的重要问题之一，随着钻井深度的增加、钻井环境的复杂化，对牙轮钻头的寿命长短和稳定性要求也越来越高，牙轮钻头轴承是影响其整体寿命的关键之一。针对牙轮钻头轴承系统进行润滑分析和优化设计以提高牙轮钻头轴承使用寿命，是目前亟待解决的问题。

目前，由于三牙轮钻头的特殊结构，即钻头体积小、载荷大、环境温度高等特点，使得其寿命难以在原来的基础上有更大的提高，主要体现在牙轮钻头滑动轴承的载荷大、环境温度高、润滑条件差、结构尺寸小等方面，这主要是由于牙轮钻头轴承的润滑方式为一次性的储脂润滑方式，在钻井液高温、高压及冲击重载作用下，钻头轴承的润滑方式主要为边界润滑和混合润滑状态，从而导致了其失效形式主要为黏着磨损。随着钻采环境的复杂化和恶劣化，对牙轮钻头工作性能的要求越来越高，而牙轮钻头滑动轴承又是关系到钻井质量、钻井效率和钻井成本的关键部件，所以必须对牙轮钻头滑动轴承进行优化设计从而进一步提高轴承的润滑性能和承载能力，进而形成牙轮钻头滑动轴承的现代设计理论和试验方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试方法，针对牙轮钻头滑动轴承的工况和特殊结构，通过微观结构优化提出圆柱形和椭圆形织构参数组合的滑动轴承来改善传统钻头轴承黏着失效问题，从而延长牙轮钻头的使用寿命，且提供一种能够通过单元实验测试所设计织构轴承摩擦学性能的试验和评估方法，从而为优选适合牙轮钻头轴承工况和润滑方式的表面织构参数奠定基础。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，包括轴颈、及支撑轴颈的轴承，所述轴颈与轴承之间设有润滑介质，其中所述轴颈采用20CrNiMo材料制成，所述轴承采用铍青铜材料制成，在所述轴承的内表面上设有表面织构，所述表面织构为沿轴承周向上均匀分布/交错分布的若干圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑。

由于采用了上述结构，牙轮钻头的轴承内表面上的表面织构可存储轴承运行过程中产生的磨屑和磨粒，从而避免磨粒或磨屑在轴颈旋转运动带动下产生二次磨损，如图6中凹坑所存储的磨粒；同时由于选用轴颈和轴承的材料对于摩擦系数有着重要的影响，当材料改变时，会对轴承与轴颈之间的摩擦带来较大的影响，因此为了保证轴承与轴颈的接触部具有较大硬度，将轴颈采用20CrNiMo材料制成，同时轴承采用铍青铜材料制成，同时将轴承内表面的表面织构选用圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑结构，圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑在轴承内表面沿轴承圆周方向呈均匀分布或者交错分布，对于牙轮钻头轴承表面分布的凹坑，其所起的作用就是润滑脂沿运动方向，凹坑入口大、出口小的阶梯形收敛间隙形成了局部的流体动压，从而提高轴承的承载能力；同时在轴颈与轴承之间设有润滑介质，在恶劣的润滑条件下，存储于表面织构中的润滑脂由于牙轮钻头轴承的冲击载荷及转动速度v，润滑脂被挤出而形成挤压油膜，从而在相对运动的过程中补充润滑所需的润滑介质，而形成对摩擦副周围表面的润滑。

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴承内表面的表面织构，是沿其周向上均匀分布的圆柱形凹坑时，所述圆柱形凹坑的直径d为200μm～300μm，所述圆柱形凹坑的面积比S_p为5%～10%，且所述圆柱形凹坑的深度为10μm-60μm。

由于采用了上述结构，采用圆柱形凹坑有助于油膜压力沿圆周边缘都成正态分布，便于在提高轴承摩擦副局部承载能力的时候不会因为压力分布不均而产生振动或轴颈的偏斜造成局部磨损严重从而降低轴承寿命；同时凹坑的直径和面积比都存在一个较优的范围，直径和面积比过大肯定会增大摩擦副表面的整体粗糙度，从而加快轴颈与轴承内表面的磨损和温升，但是凹坑直径和面积比过小时，不便于储存润滑脂、磨粒及形成流体动压润滑的效应，从而不能及时补充边界润滑条件下摩擦副所需要的润滑介质；因此为了达到较优的润滑效果，圆柱形凹坑的直径d为200μm～300μm，所述圆柱形凹坑的面积比S_p为5%～10%。对于凹坑的深度来说，当凹坑的深度过深时，虽然储存润滑脂及磨粒的作用增强了，但是不利于轴承摩擦副在高速下湍流及空穴效应的作用而提高油膜承载能力，而凹坑深度较浅时，虽然其流体动压作用增强了，但是由于轴承的一次性脂润滑方式，限制了织构不能及时向周围补充润滑介质及储存磨粒的作用，这样在边界润滑状态下轴承摩擦副的二次磨损现象就会加重，因此本发明为了达到较优的效果，将所述圆柱形凹坑的深度为10μm-60μm。本发明在采用上述结构的钻头轴承在其工况和润滑状态下，既能保证轴承的承载能力不降低甚至提高的前提下，还能改善轴承的摩擦学性能，即提高轴承的润滑性能，延长其使用寿命。

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴承内表面的表面织构，是沿周向交错分布的椭圆柱形凹坑，该椭圆柱形凹坑的长半轴为0.36mm，短半轴为0.18mm，凹坑深度为10μm-60μm，且所述椭圆柱形凹坑的面积比S_p为5%-15%。

由于采用了上述结构，椭圆柱形凹坑在相对转动速度下带动润滑介质形成流体动压润滑及储存磨粒作用的同时，由于凹坑长半轴和短半轴尺寸的不一致，特别地，本发明中采用椭圆柱形凹坑的长半轴为0.36mm，短半轴为0.18mm，使得该椭圆柱形凹坑织构在沿轴颈转动方向形成楔形收敛作用同时，还会挤压润滑介质沿另一半轴方向运动的作用，从而使润滑脂在整个轴承内表面均匀分布，继而提高钻头轴承的整体稳定性。类似于圆柱形凹坑，椭圆柱形凹坑的面积比过大肯定会增大摩擦副表面的整体粗糙度，从而加快轴颈与轴承磨损和温升，但是面积比过小时，不便于储存润滑脂、磨粒及形成流体动压润滑的效应，从而不能及时补充边界润滑条件下摩擦副所需要的润滑介质；因此选用椭圆柱形凹坑的面积比S_p为5%-15%。对于凹坑的深度来说，当凹坑的深度过深时，虽然储存润滑脂及磨粒的作用增强了，但是不利于轴承摩擦副在高速下湍流及空穴效应的作用而提高油膜承载能力，而凹坑深度较浅时，虽然其流体动压作用增强了，但是由于轴承的一次性脂润滑方式，限制了织构不能及时向周围补充润滑介质及储存磨粒的作用，这样在边界润滑状态下轴承摩擦副的二次磨损现象就会加重，因此本发明为了达到较优的效果，将所述椭圆柱形凹坑的深度为10μm-60μm。本发明在采用上述结构的钻头轴承在其工况和润滑状态下，既能保证轴承的承载能力不降低甚至提高的前提下，还能改善轴承的摩擦学性能，即提高轴承的润滑性能，延长其使用寿命。

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述椭圆柱形凹坑的长轴与轴套的轴线平行，所述椭圆柱形凹坑的面积比S_p为10%。

由于采用了上述结构，椭圆柱形凹坑的长半2轴与轴承的轴线平行时，其摩擦学性能优于长半轴与轴承轴线成90°夹角，且交错分布的织构优于均匀分布的织构形式，从而使得在不降低该轴承总体承载能力的同时，其提高了整体油膜压力沿轴向的分布，这样就降低了钻头轴承轴颈在轴承两端的偏斜磨损现象。另外，作为最优选的椭圆柱形凹坑的面积比S_p为10%，能有效地避免椭圆柱形凹坑的面积比过大，造成摩擦副表面的整体粗糙度增大，从而加快轴颈与轴承内表面的磨损和温升，也能避免面积比过小时，不便于储存润滑脂、磨粒及形成流体动压润滑的效应，从而不能及时补充边界润滑条件下摩擦副所需要的润滑介质。

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述凹坑深度为40μm。

本发明中的圆柱形凹坑和椭圆柱形凹坑，其凹坑深度在40μm时，该滑动轴承的润滑、减磨性能是最好的。

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴颈处的材料经渗碳处理使表面硬度为HRC55～62，轴承处的材料经时效、硬化处理使表面硬度为HRC36～46，所述轴承与轴颈之间相对滑动的润滑介质为复合锂基润滑脂。

由于采用了上述结构，本发明中轴颈材料的硬度为HRC55～62范围内，轴承材料的硬度为HRC36～46范围，从而使得轴承在该硬度下能够适应其从低速到高速及冲击重载荷的工况，即材料的综合力学性能较好；而轴颈与轴承的润滑介质为复合立即润滑脂，该润滑脂适合钻头轴承的一次性储脂润滑方式，且其承载能力和润滑性能较好，能有效地提高牙轮钻头轴承的润滑、减磨和承载能力。

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，所述轴承内表面几何模型的滑动轴承理论模型为 $\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(h^3\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\θ}}\right)+{\left(\frac{R}{L}\right)}^2\frac{\∂}{\∂z}\left(h^3\frac{\∂p}{\∂z}\right)=6\mathrm{\μ}{R}^2\left[({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)\frac{\∂h}{\∂\mathrm{\θ}}\right],$ 其中润滑介质所形成的油膜厚度h的方程为： $\left\{\begin{array}{cc}h=h_{\mathrm{smooth}}\left(\mathrm{\θ}\right),& (\mathrm{\θ},Z)\∉\mathrm{\Ω}\\ h=h_{\mathrm{smooth}}\left(\mathrm{\θ}\right)+\mathrm{\Δh}(\mathrm{\θ},Z),& (\mathrm{\θ},Z)\∈\mathrm{\Ω}\end{array}\right.,$

其中h为轴承的油膜厚度，p为油膜压力，R为轴颈的半径，L为轴承沿轴线方向的长度，Z为轴承沿轴向坐标的无量纲量，z为轴承沿轴向的坐标，θ为轴承沿周向的坐标，μ为润滑介质的粘度，ω1为轴颈的角速度，ω2为轴承的角速度，h_smooth为无织构部位的油膜厚度，△h(θ,Z)为织构表面的油膜厚度，Ω为轴承内表面的织构区域。

由于采用了上述结构，在相同工况下，3h后本发明的轴承与无织构牙轮钻头轴承相比，轴承的摩擦系数降低了26%～59%，磨损量（轴套降低15%～53%，轴颈降低了18%～92%），温升降低了14%～48%，表面磨痕也由严重的沟槽、划痕及磨粒形式的黏着磨损转化为轻微、均匀的磨痕，即织构的存在也使原来相同工况下的轴承边界润滑、混合润滑方式相应的转化为混合润滑和流体动压润滑方式，所以采用上述结构的牙轮钻头轴承的润滑性能和承载能力得到了很大的改善和提高。

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承的单元摩擦学性能测试方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

步骤1）、安装织构化牙轮钻头滑动轴承：将轴颈单元试件安装在上试件夹具上，将轴承单元试件安装在下试件夹具上并固定；

步骤2）、试验工况参数的设定：首先将上储油器和阀门打开，并向储脂槽中添加复合锂基润滑脂；然后通过伺服调速器和伺服电机组成的调速系统设定试验工况转速；然后通过蜗轮蜗杆机构和弹簧加载机构向轴承单元试件施加试验载荷，直至试验力传感器的读数达到预定试验载荷；最后通过加压装置对轴承单元试件施加环境压力；

步骤3）、试验数据的重复性试验：在试验步骤2设定的工况下，对三组相同的轴颈单元试件和轴承单元试件进行摩擦磨损试验60min,采集摩擦扭矩传感器和温度传感器随时间的变化值，校核试验数据的重复性；

步骤4）织构化牙轮钻头滑动轴承的摩擦学性能试验：实验前，首先清洗烘干轴承单元试件并称重,记录轴承单元试件的重量为m₁，然后再试验步骤1、2、3的基础上，启动电机通过带轮带动主轴转动3h，采集不同织构参数组合下摩擦扭矩和温升随试验时间的变化值；试验后，同样清洗烘干轴承单元试件并称重，并记录试验轴承单元试件的质量为m₂；

步骤5）实验数据的处理：摩擦扭矩取试验数据稳定后30min内摩擦扭矩的平均值，温升取温度传感器采集的试验前后温差ΔT，磨损量取磨损试验前后质量差Δm=m1-m2;

步骤6）分析、对比织构类型和参数对轴承单元试件摩擦学性能的影响，优选工况条件下润滑、减磨性能较优的表面织构参数组合。

由于采用了上述方法，可通过单元实验测试所设计织构轴承摩擦学性能的试验和评估方法，从而为优选适合牙轮钻头轴承工况和润滑方式的表面织构参数奠定基础。首先运用该测试方法通过微元法及赫兹接触理论把实际的牙轮钻头轴承的工况转化为近似模拟牙轮钻头轴承工况的单元实验，然后在所设计单元实验方案的基础上进行低速到高速及重载工况下，润滑方式为边界润滑和混合润滑方式的钻头轴承单元实验，其次在相同工况下，通过改变轴承摩擦副表面织构的类型、尺寸、排列、面积比等参数对比有织构和无织构摩擦副的摩擦学性能，然后通过摩擦系数、磨损量、温升、表面磨痕等摩擦学性能指标优选适合牙轮钻头轴承工况的表面织构组合形式，最后把优选的适合牙轮钻头轴承工况和润滑方式的表面织构形式引入实际工况的全尺寸台架试验，从而为开发适合低速到高速及重载工况的织构化牙轮钻头产品奠定基础。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过在钻头轴承内表面雕刻圆柱形和椭圆柱形凹坑，能在轴颈从低速到高速及冲击载荷的作用下，带动润滑脂在凹坑部位形成多个阶梯型的收敛间隙及储存黏着磨粒的效应，然后通过相互叠加效应形成多个微型流体动压轴承，从而进一步改善轴承的润滑状态和承载能力。

2、本发明中的试验测试方法提供了一种织构化牙轮钻头轴承的设计思路，其节约了织构化牙轮钻钻头轴承产品开发的试验成本和重复性劳动量，易于优选适合牙轮钻头轴承工况和润滑方式的表面织构组合形式。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是圆柱形织构的牙轮钻头滑动轴承示意图；

图2是圆柱形和椭圆形织构的轴承的截面图；

图3是牙轮钻头轴承表面均匀分布的圆柱形凹坑展开示意图；

图4是牙轮钻头轴承表面交错分布的圆柱形凹坑展开示意图；

图5是织构化牙轮钻头滑动轴承的单元摩擦学性能测试图；

图6是织构化牙轮钻头轴承局部织构润滑、减磨机理的示意图；

图7是牙轮钻头轴承与销盘单元试件几何模型转化示意图；

图8是轴承单元试件温升随织构参数的变化曲线；

图9是轴承单元试件摩擦系数随织构参数的变化曲线。

图中标记：1-轴颈，2-轴承，3-表面织构，4-复合锂基润滑脂，5-磨屑，6-速度计，7-主轴，8-皮带，9-伺服调速器，10-伺服电机，11-上部试件夹具，12-轴颈单元试件（销），13-轴承单元试件（盘），14-下部试件夹具，15-下储油器，16-弹簧加载机构，17-蜗轮蜗杆机构，18-数据采集卡，19-实验力传感器，20-摩擦扭矩传感器，21-笔记本电脑，22-热电偶传感器，23-上储油器，24-储脂槽，25-加压装置。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1、图2、图3、图4和图6所示，本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承，包括轴颈1、及支撑轴颈的轴承2，所述轴颈1与轴承2之间设有润滑介质，其中所述轴颈1采用20CrNiMo材料制成，所述轴承2采用铍青铜材料制成，在所述轴承2的内表面上设有表面织构3，所述表面织构3为沿轴承2的圆周方向上均匀分布/交错分布的若干圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑，也即可选择圆柱形凹坑沿轴承2圆周方向上均匀分布于轴承2的内表面上，或者圆柱形凹坑沿轴承2圆周方向上上交错分布于轴承2的内表面上；也可选择椭圆柱形凹坑沿轴承2圆周方向上均匀分布于轴承2的内表面上，或者椭圆柱形凹坑沿轴承2圆周方向上上交错分布于轴承2的内表面上。

优选地，本发明中在轴承2内表面的表面织构3，是沿其周向方向上均匀分布的圆柱形凹坑时，采用圆柱形凹坑有助于油膜压力沿圆周边缘都成正态分布，便于在提高轴承摩擦副局部承载能力的时候不会因为压力分布不均而产生振动或轴颈的偏斜造成局部磨损严重从而降低轴承寿命。所述圆柱形凹坑的直径d为200μm～300μm，所述圆柱形凹坑的面积比S_p为5%～10%，同时凹坑的直径和面积比都存在一个较优的范围，直径和面积比过大肯定会增大摩擦副表面的整体粗糙度，从而加快轴颈与轴套磨损和温升，但是凹坑直径和面积比过小时，不便于储存润滑脂、磨粒及形成流体动压润滑的效应，从而不能及时补充边界润滑条件下摩擦副所需要的润滑介质；因此为了达到较优的润滑效果，圆柱形凹坑的直径d为200μm～300μm（其中该圆柱形凹坑的直径d最小为200μm，直径d最大为300μm，直径d也可以为250μm，可在200μm～300μm之间任意选择），所述圆柱形凹坑的面积比Sp（凹坑的表面积之和在整个轴承内表面上所占的面积比）为5%～10%（该圆柱形凹坑的面积比Sp最小为5%，最大为10%，也在5%～10%之间任意选择）。对于凹坑的深度来说，本发明中所述圆柱形凹坑的深度为10μm～60μm，可为10μm，也可以为60μm，最优为40μm，可根据实际需要进行选择。当凹坑的深度过深时，虽然储存润滑脂及磨粒的作用增强了，但是不利于轴承摩擦副在高速下湍流及空穴效应的作用而提高油膜承载能力，而凹坑深度较浅时，虽然其流体动压作用增强了，但是由于轴承的一次性脂润滑方式，限制了织构不能及时向周围补充润滑介质及储存磨粒的作用，这样在边界润滑状态下轴承摩擦副的二次磨损现象就会加重。本发明在采用上述结构的钻头轴承在其工况和润滑状态下，既能保证轴承的承载能力不降低甚至提高的前提下，还能改善轴承的摩擦学性能，即提高轴承的润滑性能，延长其使用寿命。

优选地，本发明中在所述轴承2内表面的表面织构3，是沿其周向上交错分布有椭圆柱形凹坑，该椭圆柱形凹坑的长半轴为0.36mm，短半轴为0.18mm，所述椭圆柱形凹坑的长轴与轴承2的轴线平行，凹坑长半轴与轴承轴线平行时，其摩擦学性能优于与轴承轴线成90°夹角，且交错分布的织构优于均匀分布的织构形式；椭圆柱形凹坑在相对转动速度下带动润滑介质形成流体动压润滑及储存磨粒作用的同时，由于从长半轴和短半轴尺寸的不一致，特别地，本发明中采用椭圆柱形凹坑的长半轴为0.36mm，短半轴为0.18mm，使得该椭圆柱形凹坑织构在沿轴颈转动方向形成楔形收敛作用同时，还会挤压润滑介质沿另一半轴方向运动的作用，从而使润滑脂在整个轴承表面均匀分布，继而提高钻头轴承的整体稳定性。类似于圆柱形凹坑，椭圆柱形凹坑的面积比过大肯定会增大摩擦副表面的整体粗糙度，从而加快轴颈与轴承磨损和温升，但是面积比过小时，不便于储存润滑脂、磨粒及形成流体动压润滑的效应，从而不能及时补充边界润滑条件下摩擦副所需要的润滑介质；因此选用椭圆柱形凹坑的面积比S_p为5%-15%，最优选的面积比S_p为10%，根据需要，可选择Sp为5%，或Sp为15%，可以使面积比Sp在5%-15%中选择。对于凹坑的深度来说，凹坑深度为10μm～60μm，该凹坑深度可为10μm或60μm，最优为40μm，该凹坑深度可在10μm～60μm中选择，当凹坑的深度过深时，虽然储存润滑脂及磨粒的作用增强了，但是不利于轴承摩擦副在高速下湍流及空穴效应的作用而提高油膜承载能力，而凹坑深度较浅时，虽然其流体动压作用增强了，但是由于轴承的一次性脂润滑方式，限制了织构不能及时向周围补充润滑介质及储存磨粒的作用，这样在边界润滑状态下轴承摩擦副的二次磨损现象就会加重，因此本发明为了达到较优的效果，将所述椭圆柱形凹坑的深度为10μm-60μm。

本发明中轴颈材料的硬度为HRC55～62范围内，轴承材料的硬度为HRC36～46范围，从而使得轴承在该硬度下能够适应其从低速到高速及冲击重载荷的工况，即材料的综合力学性能较好；而轴颈与轴承的润滑介质为复合立即润滑脂，该润滑脂适合钻头轴承的一次性储脂润滑方式，且其承载能力和润滑性能较好，能有效地提高牙轮钻头轴承的润滑、减磨和承载能力。

如图1所示，对本发明中的轴承2内表面的织构进行建模，基于N-S方程和动量守恒定律对牙轮钻头表面圆柱形织构轴承进行理论建模时，为了简化和便于分析计算，并作了以下假设：

（1）润滑介质为不可压缩流体、层流，忽略体积力和惯性力；

（2）沿油膜膜厚度方向，不考虑压力的变化；

（3）不考虑表面粗糙度和油膜曲率的变化；

（4）考虑稳态情况；

（5）润滑脂在摩擦表面无相对滑动；

（6）沿润滑脂油膜厚度方向粘度数值不变；

对于极坐标系，当润滑油膜的厚度h在y坐标方向时，稳态状态下运行的牙轮钻头滑动轴承表面织构在产生流体动压力时微凹坑之间的相互影响的压力控制方程为：

$\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(h^3\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\θ}}\right)+{\left(\frac{R}{L}\right)}^2\frac{\∂}{\∂z}\left(h^3\frac{\∂p}{\∂z}\right)=6\mathrm{\μ}{R}^2\left[({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)\frac{\∂h}{\∂\mathrm{\θ}}\right]$

雷诺边界条件一般被用于定义油膜破裂区域，它用于确保在润滑剂的油膜破裂区域同时P=0。在目前的研究中，轴承都是在稳定状态下运行的；外加载荷F是恒量。则沿滑动轴承接触表面集中压力区域的总承载能力W能够被计算出来，滑动轴承润滑油膜的承载力如下公式所示

$W=\sqrt{{\left({\∫}_0^1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Pr}\cos \mathrm{\θd\θdz}\right)}^2+{\∫}_0^1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\mathrm{Pr}\sin \mathrm{\θd\θdz})}^2}$

本发明中牙轮钻头轴承和轴颈，在轴承的表面加工有均匀分布微型圆柱形凹坑织构（本例仅以圆柱形凹坑为例，椭圆柱形凹坑可参照该圆柱形凹坑进行），h是牙轮钻头滑动轴承的油膜厚度，油膜厚度能够写成下面的形式：

$\left\{\begin{array}{cc}h=h_{\mathrm{smooth}}\left(\mathrm{\θ}\right),& (\mathrm{\θ},Z)\∉\mathrm{\Ω}\\ h=h_{\mathrm{smooth}}\left(\mathrm{\θ}\right)+\mathrm{\Δh}(\mathrm{\θ},Z),& (\mathrm{\θ},Z)\∈\mathrm{\Ω}\end{array}\right.$

其中h为轴承的油膜厚度，p为油膜压力，R为轴颈的半径，L为轴承沿轴线方向的长度，Z为轴承沿轴向坐标的无量纲量，z为轴承沿轴向的坐标，θ为轴承沿周向的坐标，μ为润滑介质的粘度，ω1为轴颈的角速度，ω2为轴套的角速度，h_smooth为无织构部位的油膜厚度，△h(θ,Z)为织构表面的油膜厚度，Ω为轴承内表面的织构区域。

对于无织构的光滑轴承，润滑剂的油膜厚度h_smooth=C(1+εcosθ)，其中C为半径间隙，ε为偏心率，θ为轴承某点处的角度，Ω为轴承表面的织构区域，△h(θ,Z)是织构表面油膜厚度的变形。

本例中的织构形状主要为圆柱形凹坑，椭圆柱形凹坑可参考进行，如图1所示，其中r_x，r_y，r_z分别是圆柱形织构在x,y,z方向的尺寸，对于圆柱形织构，令r_x=r_z=r，则圆柱形织构的方程可以定义为

(x-x_c)²+(z-z_c)²=r²

其中圆柱形织构的圆心为（x_c，y_c，z_c），该圆心位于轴承的表面，织构表面点M(θ,Z)处的深度定义为△h，则△h=r_y。

由于牙轮钻头滑动轴承摩擦副的摩擦与磨损主要发生在两摩擦表面的凸凹接触表面上，因此研究接触表面微凸-凹圆柱体的接触特性（如接触应力，接触变形、接触面积）是必要的。根据牙轮钻头滑动轴承的实际接触形式，则牙轮钻头滑动轴承的微凸-凹圆柱体的接触几何模型如下图7中位于左侧的图所示：其中图7中的R2和R1分别为牙轮钻头滑动轴牙爪与牙轮的半径，两圆柱体在过O点的母线上发生接触。根据赫兹接触理论，两圆柱体的接触应力公式为：

${\mathrm{\σ}}_H=\sqrt{\frac{\frac{F}{B}(\frac{1}{R_2}\±\frac{1}{R_1})}{\mathrm{\π}(\frac{1-{\mathrm{\μ}}_2^2}{E_2}+\frac{1-{\mathrm{\μ}}_1^2}{E_1})}}$

式中：σ_H为实际工况下牙轮钻头滑动轴承牙轮和牙爪的接触应力；

F—为作用在接触面上的加载力；

B—为初始接触线的长度；

R2和R1—分别为牙轮钻头滑动轴承牙爪和牙轮初始接触线处的曲率半径，其中正号用于外接触，负号用于内接触：

μ₁和μ₂—分别为牙轮钻头滑动轴承牙爪和牙轮材料的泊松比；

E₁和E₂—分别为牙轮钻头滑动轴承牙爪和牙轮材料的弹性模量。

而销-盘单元试件的接触几何模型如图7中位于右侧的图所示，则：

${\mathrm{\σ}}_X=\sqrt{\frac{\frac{F^{\′}}{B^{\′}}(\frac{1}{R_2^{\′}}\±\frac{1}{R_1^{\′}})}{\mathrm{\π}(\frac{1-{\left({{\mathrm{\μ}}_2}^{\′}\right)}^2}{E_2^{\′}}+\frac{1-{\left({{\mathrm{\μ}}_1}^{\′}\right)}^2}{E_1^{\′}})}}$

式中：σ_X为实际工况下牙轮钻头销-盘单元试件接触应力；

F′—为作用在销-盘接触面上的加载力；

B′—为初始销-盘试件接触线的长度；

R₂′和R₁′—分别为牙轮钻头滑动轴承单元试件销-盘初始接触线处的曲率半径；μ₁′和μ₁′—分别为牙轮钻头滑动轴承单元试件销-盘材料的泊松比；E₂′和E₂′—分别为牙轮钻头滑动轴承单元试件销-盘材料的弹性模量。其中σ_X为实验工况下销-盘单元试件的接触应力，F′为实验机的加载力，B′为过O点的圆柱形销的母线长度，为了模拟牙轮钻头滑动轴承的实际工况，需满足条件：

σ_X=σ_H

则可推导出：

$\frac{F^{\′}}{B^{\′}}(\frac{1}{{R_2}^{\′}}+\frac{1}{{R_1}^{\′}})=\frac{F}{B}(\frac{1}{R_2}-\frac{1}{R_1})$

根据牙轮钻头滑动轴承牙爪与牙轮的尺寸、单元试件销-盘的设计尺寸及牙轮钻头滑动轴承实际工况下轴承径向载荷,可得牙轮钻头滑动轴承销-盘单元实验的轴向加载力：

$F^{\′}=\frac{F\·B^{\′}\·{R_2}^{\′}(R_1-R_2)}{B\·R_2\·R_1}$

由于销-盘摩擦副一共装有三个销试件，所以牙轮钻头实际工况下，销-盘单元试件摩擦副需要加载的载荷为75～680N,摩擦副的转速为60-240r/min。

表1牙轮钻头滑动轴承试验中轴承径向载荷与销-盘单元试件实验加载力的对应关系：

本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承的单元摩擦学性能测试方法，采用如图5的试验设备，该试验设备包括可相互配合的上部试件夹具11和下部试件夹具14，其中上部试件夹具11上设有轴颈单元试件（销）12，所述下部试件夹具14上设有轴承单元试件（盘）13，其中所述上部试件夹具11的顶部中心连接有主轴7，所述主轴7旁设有测量主轴7转速的速度计6（所述速度计6连接到数据采集卡18上，所述数据采集卡18连接到笔记本电脑21上），所述主轴7的端部通过皮带8连接到伺服调速器9上，所述伺服调速器9上与伺服电机10连接；所述下部试件夹具14的下部中心连接有弹簧加载机构16，该弹簧加载机构16与蜗轮蜗杆机构17相连，其中所述弹簧加载机构16上部分别连接有实验力传感器19和摩擦扭矩传感器20，其中所述实验力传感器19位于下试件夹具14的导向轴底端，所述摩擦扭矩传感器20位于下试件夹具导向轴侧壁上，所述试验力传感器19与摩擦扭矩传感器20分别连接到数据采集卡18上；本发明所采用的试验设备，其中上部试件夹具11和下部试件夹具14的结合部设有储脂槽24，所述储脂槽24上设有加压装置25，所述储脂槽24的上部通过管路连接到上储油器23上，所述储脂槽24下部还通过管路连接到下储油器15上，所述储脂槽24上还设有热电偶传感器22，该热电偶传感器22连接到数据采集卡18上。

因此，本发明的织构化牙轮钻头滑动轴承的单元摩擦学性能测试方法，通过以下步骤实现：

步骤1、安装织构化牙轮钻头滑动轴承：将轴颈单元试件12安装在上试件夹具11上，将轴承单元试件13安装在下试件夹具14上并固定；

步骤2、试验工况参数的设定：首先将上储油器23和阀门打开，并向储脂槽24中添加复合锂基润滑脂；然后通过伺服调速器9和伺服电机10组成的调速系统设定试验工况转速；然后通过蜗轮蜗杆机构17和弹簧加载机构16向轴承单元试件施加试验载荷，直至试验力传感器19的读数达到预定试验载荷；最后通过加压装置25对轴承单元试件施加环境压力；

步骤3、试验数据的重复性试验：在试验步骤2设定的工况下，对三组相同的轴颈单元试件12和轴承单元试件13进行摩擦磨损试验60min,采集摩擦扭矩传感器20和温度传感器22随时间的变化值，校核试验数据的重复性；

步骤4织构化牙轮钻头滑动轴承的摩擦学性能试验：实验前，首先清洗烘干轴承单元试件并称重,记录轴承单元试件的重量为m₁，然后在试验步骤1、2、3的基础上，启动电机(10)通过带轮8带动主轴7转动3h，采集不同织构参数组合下摩擦扭矩和温升随试验时间的变化值；试验后，同样清洗烘干轴承单元试件并称重，并记录试验轴承单元试件的质量为m₂；

步骤5实验数据的处理：摩擦扭矩取试验数据稳定后30min内摩擦扭矩的平均值，温升取温度传感器22采集的试验前后温差ΔT，磨损量取磨损试验前后质量差Δm=m₁-m₂;

步骤6分析、对比织构类型和参数对轴承单元试件摩擦学性能的影响，优选工况条件下润滑、减磨性能较优的表面织构参数组合。

通过上述方法，并统计数据过后，可得出本发明中图8轴承单元试件温升随织构参数的变化曲线图；以及图9的轴承单元试件摩擦系数随织构参数的变化曲线图，使得本发明可通过单元实验测试所设计织构轴承摩擦学性能的试验和评估方法，从而为优选适合牙轮钻头轴承工况和润滑方式的表面织构参数奠定基础。首先运用该测试方法通过微元法及赫兹接触理论把实际的牙轮钻头轴承的工况转化为近似模拟牙轮钻头轴承工况的单元实验，然后在所设计单元实验方案的基础上进行低速到高速及重载工况下，润滑方式为边界润滑和混合润滑方式的钻头轴承单元实验，其次在相同工况下，通过改变轴承摩擦副表面织构的类型、尺寸、排列、面积比等参数对比有织构和无织构摩擦副的摩擦学性能，然后通过摩擦系数、磨损量、温升、表面磨痕等摩擦学性能指标优选适合牙轮钻头轴承工况的表面织构组合形式，最后把优选的适合牙轮钻头轴承工况和润滑方式的表面织构形式引入实际工况的全尺寸台架试验，从而为开发适合低速到高速及重载工况的织构化牙轮钻头产品奠定基础。

通过本发明可得出了以下结论：

（1）通过收集近10年表面织构技术在润滑、减磨方面的最新研究成果，找到了影响润滑、减磨机理主要因素是织构类型、尺寸、面积比、排列等参数。从影响牙轮钻头轴承的润滑和承载能力来看，表面织构的引入可以降低牙轮钻头轴承的摩擦磨损，延长轴承的使用寿命；

（2）以流体动压润滑和赫兹接触理论为基础建立了近似模拟牙轮钻头滑动轴承实际工况的单元试验方案，计算了模拟牙轮钻头轴承实际工况的等效实验工况，论证所设计的销-盘单元试验方案能够近似模拟实际工况下牙轮钻头滑动轴承的摩擦学性能。

（3）根据所选用实验设备和所设计的单元实验方案，完成了近似模拟牙轮钻头滑动轴承实际工况的单元销-盘试件、以及圆柱形和椭圆形表面织构单元盘试件的设计，探索得到了满足设计要求的表面织构加工工艺。

（4）在载荷430N，转速120rpm工况下（模拟实际工况钻压9吨，转速120rpm），单元试件的摩擦学性能研究表明，与无织构摩擦副相比，都存在一个较佳的凹坑直径、深度和面积比参数，使得销-盘单元试件的润滑和减磨性能较好。

（5）试验结果表明，特定工况下（载荷430N，转速120rpm）：

当凹坑的深度为40μm时，圆柱形凹坑的优选直径大约在200μm～300μm之间，优选面积比大约在5.04%～10.08%之间；

圆柱形织构：面积比为5.04%、直径为300μm、深度为40μm时综合性能较优；

椭圆形织构：长半轴为0.36mm、短半轴为0.18mm、深度为40μm时，面积比为10.08%的凹坑综合性能较优。

实验力430N,转速120rpm工况下，面积比为5.04%、直径为300μm、深度为40μm较佳织构组合相对于无织构摩擦副，其摩擦系数、磨损量（销-盘）、温升分别降低了56.3%、（92.5%、52.8%）、44.2%。

（6）以圆柱形表面织构的几何模型为基础，推导出了圆柱形表面织构牙轮钻头滑动轴承油膜厚度方程；在相关假设的基础上建立了稳态状态下运行的圆柱形表面织构牙轮钻头滑动轴承的压力控制方程（Reynolds方程）。理论分析结果验证了当圆柱形凹坑的直径为0.3mm,面积比为5.04%，凹坑深度为40μm时，油膜的平均承载能力是最大的，验证直径为0.3mm,面积比为5.04%，凹坑深度为40μm圆柱形凹坑是较优的。

本发明通过在钻头轴承表面雕刻圆柱形和椭圆柱形凹坑，能在轴颈从低速到高速及冲击载荷的作用下，带动润滑脂在凹坑部位形成多个阶梯型的收敛间隙及储存黏着磨粒的效应，然后通过相互叠加效应形成多个微型流体动压轴承，从而进一步改善轴承的润滑状态和承载能力。

本发明中的试验测试方法提供了一种织构化牙轮钻头轴承的设计思路，其节约了织构化牙轮钻头轴承产品开发的试验成本和重复性劳动量，易于优选适合牙轮钻头轴承工况和润滑方式的表面织构组合形式。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.织构化牙轮钻头滑动轴承，其特征在于：它包括轴颈(1)、及套于轴颈(1)外的轴承(2)，所述轴颈(1)与轴承(2)之间设有润滑介质，其中所述轴颈(1)采用20CrNiMo材料制成，所述轴承(2)采用铍青铜材料制成，在所述轴承(2)的内表面上设有表面织构(3)，所述表面织构(3)为沿轴承(2)周向上均匀分布/交错分布的若干圆柱形凹坑或椭圆柱形凹坑；所述轴承(2)内表面织构几何模型的滑动轴承理论模型为其中润滑介质所形成的油膜厚度h的方程为：其中h为轴承的油膜厚度，p为油膜压力，R为轴颈的半径，L为轴承沿轴线方向的长度，Z为轴承沿轴向坐标的无量纲量，z为轴承沿轴向的坐标，θ为轴承沿周向的坐标，μ为润滑介质的粘度，ω₁为轴颈的角速度，ω₂为轴承的角速度，h_smooth为无织构部位的油膜厚度，Δh(θ,Z)为织构表面的油膜厚度，Ω为轴承表面的织构区域。

2.如权利要求1所述的织构化牙轮钻头滑动轴承，其特征在于：所述轴承(2)内表面的表面织构(3)，是沿其周向上均匀分布的圆柱形凹坑时，所述圆柱形凹坑的直径d为200μm～300μm，所述圆柱形凹坑的面积比S_p为5％～10％，且所述圆柱形凹坑的深度为10μm～60μm。

3.如权利要求1所述的织构化牙轮钻头滑动轴承，其特征在于：所述轴承(2)内表面的表面织构(3)，是沿周向交错分布有椭圆柱形凹坑，该椭圆柱形凹坑的长半轴为0.36mm，短半轴为0.18mm，凹坑深度为10μm～60μm，且所述椭圆柱形凹坑的面积比S_p为5％～15％。

4.如权利要求3所述的织构化牙轮钻头滑动轴承，其特征在于：所述椭圆柱形凹坑的长轴与轴承(2)的轴线平行，所述椭圆柱形凹坑的面积比S_p为10％。

5.如权利要求2或3或4所述的织构化牙轮钻头滑动轴承，其特征在于：所述凹坑深度为40μm。

6.如权利要求1至4之一所述的织构化牙轮钻头滑动轴承，其特征在于：所述轴颈(1)处的材料经渗碳处理使表面硬度为HRC55～62，轴承(2)处的材料经时效、硬化处理使表面硬度为HRC36～46，所述轴承(2)与轴颈(1)之间相对滑动的润滑介质为复合锂基润滑脂。

7.如权利要求1至6之一所述织构化牙轮钻头滑动轴承的单元摩擦学性能测试方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

步骤1)、安装织构化牙轮钻头滑动轴承：将轴颈单元试件(12)安装在上试件夹具(11)上，将轴承单元试件(13)安装在下试件夹具(14)上并固定；

步骤2)、试验工况参数的设定：首先将上储油器(23)和阀门打开，并向储脂槽(24)中添加复合锂基润滑脂；然后通过伺服调速器(9)和伺服电机(10)组成的调速系统设定试验工况转速；再通过蜗轮蜗杆机构(17)和弹簧加载机构(16)向轴承单元试件施加试验载荷，直至试验力传感器(19)的读数达到预定试验载荷；最后通过加压装置(25)对轴承单元试件施加环境压力；

步骤3)、试验数据的重复性试验：在试验步骤2设定的工况下，对三组相同的轴颈单元试件(12)和轴承单元试件(13)进行摩擦磨损试验60min,采集摩擦扭矩传感器(20)和温度传感器(22)随时间的变化值，校核试验数据的重复性；

步骤4)织构化牙轮钻头滑动轴承的摩擦学性能试验：实验前，首先清洗烘干轴承单元试件并称重,记录轴承单元试件的重量为m₁，然后在试验步骤1、2、3的基础上，启动电机(10)通过带轮(8)带动主轴(7)转动3h，采集不同织构参数组合下摩擦扭矩和温升随试验时间的变化值；试验后，同样清洗烘干轴承单元试件并称重，并记录试验轴承单元试件的质量为m₂；

步骤5)实验数据的处理：摩擦扭矩取试验数据稳定后30min内摩擦扭矩的平均值，温升取温度传感器(22)采集的试验前后温差ΔT，磨损量取磨损试验前后质量差Δm＝m₁-m₂；

步骤6)分析、对比织构类型和参数对轴承单元试件摩擦学性能的影响，优选工况条件下润滑、减磨性能较优的表面织构参数组合。