CN113432872A - 一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于井下工具领域，具体涉及一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法，它由加压装置、主轴、固定圆盘、弹簧、激励源、重物块、激励源箱体、对磨球、夹具、螺栓、试验台架、轴承样品、温度传感器、圆柱销、基于轴承冲击在线监测系统、计算机控制系统、PLC和伺服电机组成。所述固定圆盘介于重物块的上下两端，固定圆盘中心开有通孔，主轴穿过固定圆盘的通孔，固定圆盘的边沿焊接在激励源箱体上；所述计算机控制系统用于控制基于轴承冲击在线监测系统和PLC的启动；所述PLC用于控制伺服电机和加压装置的启动。本发明结构简单，可以用于评估冲击载荷下止推轴承的摩擦磨损和疲劳损伤，有助于提高井下止推轴承工作的安全系数。

Description

一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法

技术领域

本发明属于井下工具领域，具体涉及一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法。

背景技术

止推轴承在井下服役环境非常恶劣，受到高转速、高温、冲击等多因素共同作用，止推轴承的耐磨面或滚动体容易发生磨损和接触疲劳，止推轴承的失效会严重威胁钻井安全，增加钻井成本。

目前，在止推轴承试验装置的研究方面，已有专利：CN103900817B，该专利既能有效地模拟涡轮钻具止推轴承的实际工作环境，又可以对止推轴承的工作性能进行测试，但该装置仅针对涡轮钻具推力球轴承，只能测试推力球轴承在恒力下的相关性能指标，未考虑止推轴承在受到冲击载荷作用、高温等恶劣工作环境下轴承的摩擦磨损性能。

现有井下工具轴承试验台架，既不能模拟钻井工具在实际井下作业时高温的恶劣工况，也不能较为准确的评估止推轴承的使用寿命和模拟冲击载荷下止推轴承的工况。因此，亟需开发一种冲击载荷下止推轴承摩擦磨损特性的试验装置与方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法，该装置可评估冲击载荷下止推轴承的摩擦磨损特性，能提高井下止推轴承工作的安全系数，降低钻井成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:本发明一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法，它由加压装置、主轴、固定圆盘、弹簧、激励源、重物块、激励源箱体、对磨球、夹具、螺栓、试验台架、轴承样品、温度传感器、圆柱销、基于轴承冲击在线监测系统、计算机控制系统、PLC和伺服电机组成。其中，所述加压装置与主轴连接；所述固定圆盘介于重物块的上下两端，固定圆盘中心开有通孔，主轴穿过固定圆盘的通孔，主轴与固定圆盘的通孔之间采用间隙配合，固定圆盘的通孔到固定圆盘边沿的中点设有弹簧孔，且弹簧孔均匀分布在固定圆盘的周向上，固定圆盘的边沿焊接在激励源箱体上；所述重物块为圆盘形，重物块中心开有通孔，主轴穿过重物块的通孔，主轴与重物块的通孔之间采用过盈配合，重物块的通孔到重物块边沿的中点设有弹簧孔，且弹簧孔均匀分布在在重物块的周向上，重物块与固定圆盘之间通过弹簧穿过弹簧孔连接，弹簧与弹簧孔之间采用过盈配合；在所述重物块上施加激励源；所述夹具为圆柱形，在夹具的轴向上开有盲孔，将圆柱销安装在盲孔中，在夹具的径向上开有螺纹孔，将轴承样品安装上通过两边的螺栓固定；所述试验台架为T形，所述试验台架底端连接伺服电机，所述伺服电机驱动试验台架旋转；所述温度传感器和对磨球都安装在主轴的末端，温度传感器安装在主轴末端的上方，对磨球安装在主轴末端的下方；所述基于轴承冲击在线监测系统用于调整冲击参数；所述计算机控制系统用于控制基于轴承冲击在线监测系统和PLC的启动；所述PLC用于控制伺服电机和加压装置的启动。

一种上述试验装置的试验验证方法，它包括如下步骤：

步骤1：将轴承样品清洗干净，烘干，称量净重，记为m₁；

步骤2：PLC控制伺服电机启动，伺服电机带动试验台架转动，根据试验的需要在计算机控制系统给激励源电信号确定冲击力的大小，调整好以后关闭伺服电机；

步骤3：将轴承样品安装在夹具上，夹具两边的螺栓将其固定，用酒精湿润的棉签擦拭安装上的轴承样品，在轴承样品的上表面与对磨球接触面用注射器涂满润滑油；

步骤4：检查试验环节，若没有任何障碍，启动加压装置和伺服电机；

步骤5：稳定运转t＝120分钟，记录温度传感器所测温度值的变化；

步骤6：采集基于轴承冲击在线监测系统的数据，保存数据；

步骤7：关闭加压装置和伺服电机，拆下轴承样品；

步骤8：将拆下的轴承样品进行彻底清洗，烘干，称重，记为m₂；

步骤9：计算磨损量m，即磨损量m＝m₁-m₂；

步骤10：更换另外的轴承样品，重复上述步骤至少2次，记录下所有数据；

步骤11：计算磨损量的平均值m₀，再计算磨损速度v，即磨损速度

结束试验。本发明与现有技术比较，具有以下有益效果：1.发明结构简单，易于操作；2.可以用于评估冲击载荷下止推轴承的摩擦磨损和疲劳损伤，有助于提高轴承工作的安全系数；3.能有效模拟井下止推轴承的摩擦磨损工况，开展摩擦磨损失效分析和轴承寿命评价。

附图说明

图1为本发明的试验装置系统示意图

图2为本发明主轴、固定圆盘、弹簧、重物块组合的三维结构示意图

图3为本发明夹具和试验台架组合的三维结构示意图

图4为本发明试验台架、夹具、主轴末端组合的三维结构示意图

图中：1.加压装置，2.主轴，3.固定圆盘，4.弹簧，5.激励源，6.重物块，7.激励源箱体，8.对磨球，9.夹具，10.螺栓，11.试验台架，12.轴承样品，13.温度传感器，14.圆柱销，15.基于轴承冲击在线监测系统，16.计算机控制系统，17.PLC，18.伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明发明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1示，本发明一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法，它由加压装置1、主轴2、固定圆盘3、弹簧4、激励源5、重物块6、激励源箱体7、对磨球8、夹具9、螺栓10、试验台架11、轴承样品12、温度传感器13、圆柱销14、基于轴承冲击在线监测系统15、计算机控制系统16、PLC17和伺服电机18组成。其中，所述加压装置1与主轴2连接；所述固定圆盘3介于重物块6的上下两端，固定圆盘3中心开有通孔，主轴2穿过固定圆盘3的通孔，主轴2与固定圆盘3的通孔之间采用间隙配合，固定圆盘3的通孔到固定圆盘3边沿的中点设有弹簧孔，且弹簧孔均匀分布在固定圆盘3的周向上，固定圆盘3的边沿焊接在激励源箱体7上；所述重物块6为圆盘形，重物块6中心开有通孔，主轴2穿过重物块6的通孔，主轴2与重物块6的通孔之间采用过盈配合，重物块6的通孔到重物块6边沿的中点设有弹簧孔，且弹簧孔均匀分布在在重物块6的周向上，重物块6与固定圆盘3之间通过弹簧4穿过弹簧孔连接，弹簧4与弹簧孔之间采用过盈配合；在所述重物块6上施加激励源5；所述夹具9为圆柱形，在夹具9的轴向上开有盲孔，将圆柱销14安装在盲孔中，在夹具9的径向上开有螺纹孔，将轴承样品12安装上通过两边的螺栓10固定；所述试验台架11为T形，所述试验台架11底端连接伺服电机18，所述伺服电机18驱动试验台架11旋转；所述温度传感器13和对磨球8都安装在主轴2的末端，温度传感器13安装在主轴2末端的上方，对磨球8安装在主轴2末端的下方；所述基于轴承冲击在线监测系统15用于调整冲击参数；所述计算机控制系统16用于控制基于轴承冲击在线监测系统15和PLC17的启动；所述PLC17用于控制伺服电机18和加压装置1的启动。

如图1所示，在试验的过程中，摩擦和冲击会产生热量，导致轴承样品12的温度发生变化，通过基于轴承冲击在线监测系统15，温度传感器13可以在计算机控制系统16上显示轴承样品12的瞬间温度。

如图1和图2所示，在重物块6的左右两端设置了激励源5，在固定圆盘3与重物块6之间的周向上均匀设置相同的弹簧4。当加压装置1和伺服电机18启动时，在没有冲击的作用下，重物块6只受到重力的作用下，不会上下振动，即跟主轴2保持相对静止的状态。当启动激励源5时，重物块6在激励源5和弹簧4的作用下会发生上下的振动，轴承样品12受到的轴向力会发生周期性的变化，向上运动时，轴向力会瞬间减小，向下运动时，轴向力会瞬间增加，因此能达到冲击的效果。

如图3和图4所示，夹具9的左右两边设有螺纹孔，夹具9的中心设有圆柱销14，目的是轴承样品12放进夹具9中在周向上有定位，避免在试验的过程中发生旋转，螺栓10穿过螺纹孔对轴承样品12固定，即对轴承样品12在径向上有定位；所述主轴2的末端设有一个对磨球8，对磨球8与轴承样品12接触，当加压装置1启动时，在弹簧4连接重物块6的作用下，对磨球8与轴承样品12不断地产生冲击。

一种上述试验装置的试验验证方法，它包括如下步骤：

步骤1：将轴承样品12清洗干净，烘干，称量净重，记为m₁；

步骤2：PLC17控制伺服电机18启动，伺服电机18带动试验台架11转动，根据试验的需要在计算机控制系统16给激励源5电信号确定冲击力的大小，调整好以后关闭伺服电机18；

步骤3：将轴承样品12安装在夹具上，夹具9两边的螺栓10将其固定，用酒精湿润的棉签擦拭安装上的轴承样品12，在轴承样品12的上表面与对磨球8接触面用注射器涂满润滑油；

步骤4：检查试验环节，若没有任何障碍，启动加压装置1和伺服电机18；

步骤5：稳定运转t＝120分钟，记录温度传感器13所测温度值的变化；

步骤6：采集基于轴承冲击在线监测系统15的数据，保存数据；

步骤7：关闭加压装置1和伺服电机18，拆下轴承样品12；

步骤8：将拆下的轴承样品12进行彻底清洗，烘干，称重，记为m₂；

步骤9：计算磨损量m，即磨损量m＝m₁-m₂；

步骤10：更换另外的轴承样品12，重复上述步骤至少2次，记录下所有数据；

步骤11：计算磨损量的平均值m₀，再计算磨损速度v，即磨损速度

结束试验。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为同变化的效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.本发明一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法，其特征在于：它由加压装置(1)、主轴(2)、固定圆盘(3)、弹簧(4)、激励源(5)、重物块(6)、激励源箱体(7)、对磨球(8)、夹具(9)、螺栓(10)、试验台架(11)、轴承样品(12)、温度传感器(13)、圆柱销(14)、基于轴承冲击在线监测系统(15)、计算机控制系统(16)、PLC(17)和伺服电机(18)组成；其中，所述加压装置(1)与主轴(2)连接；所述固定圆盘(3)介于重物块(6)的上下两端，固定圆盘(3)中心开有通孔，主轴(2)穿过固定圆盘(3)的通孔，主轴(2)与固定圆盘(3)的通孔之间采用间隙配合，固定圆盘(3)的通孔到固定圆盘(3)边沿的中点设有弹簧孔，且弹簧孔均匀分布在固定圆盘(3)的周向上，固定圆盘(3)的边沿焊接在激励源箱体(7)上；所述重物块(6)为圆盘形，重物块(6)中心开有通孔，主轴(2)穿过重物块(6)的通孔，主轴(2)与重物块(6)的通孔之间采用过盈配合，重物块(6)的通孔到重物块(6)边沿的中点设有弹簧孔，且弹簧孔均匀分布在在重物块(6)的周向上，重物块(6)与固定圆盘(3)之间通过弹簧(4)穿过弹簧孔连接，弹簧(4)与弹簧孔之间采用过盈配合；在所述重物块(6)上施加激励源(5)；所述夹具(9)为圆柱形，在夹具(9)的轴向上开有盲孔，将圆柱销(14)安装在盲孔中，在夹具(9)的径向上开有螺纹孔，将轴承样品(12)安装上通过两边的螺栓(10)固定；所述试验台架(11)为T形，所述试验台架(11)底端连接伺服电机(18)，所述伺服电机(18)驱动试验台架(11)旋转；所述温度传感器(13)和对磨球(8)都安装在主轴(2)的末端，温度传感器(13)安装在主轴(2)末端的上方，对磨球(8)安装在主轴(2)末端的下方；所述基于轴承冲击在线监测系统(15)用于调整冲击参数；所述计算机控制系统(16)用于控制基于轴承冲击在线监测系统(15)和PLC(17)的启动；所述PLC(17)用于控制伺服电机(18)和加压装置(1)的启动。

2.根据权利要求1所述的一种冲击载荷下井下止推轴承摩擦磨损特性试验装置及方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将轴承样品(12)清洗干净，烘干，称量净重，记为m₁；

步骤2：PLC(17)控制伺服电机(18)启动，伺服电机(18)带动试验台架(11)转动，根据试验的需要在计算机控制系统(16)给激励源(5)电信号确定冲击力的大小，调整好以后关闭伺服电机(18)；

步骤3：将轴承样品(12)安装在夹具上，夹具(9)两边的螺栓(10)将其固定，用酒精湿润的棉签擦拭安装上的轴承样品(12)，在轴承样品(12)的上表面与对磨球(8)接触面用注射器涂满润滑油；

步骤4：检查试验环节，若没有任何障碍，启动加压装置(1)和伺服电机(18)；

步骤5：稳定运转t＝120分钟，记录温度传感器(13)所测温度值的变化；

步骤6：采集基于轴承冲击在线监测系统(15)的数据，保存数据；

步骤7：关闭加压装置(1)和伺服电机(18)，拆下轴承样品(12)；

步骤8：将拆下的轴承样品(12)进行彻底清洗，烘干，称重，记为m₂；

步骤9：计算磨损量m，即磨损量m＝m₁-m₂；

步骤10：更换另外的轴承样品(12)，重复上述步骤至少2次，记录下所有数据；

步骤11：计算磨损量的平均值m₀，再计算磨损速度v，即磨损速度

结束试验。

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