段晨伟

（长江大学，荆州 451199）

在针对中西部深层次地区小尺寸涡轮钻具的研发过程中，随着项目研究的深入，发现小尺寸涡轮钻具推力轴承的研制存在诸多问题，其中推力轴承成为限制涡轮钻具寿命的关键元件。聚晶金刚石复合材料（Polycrystalline Diamond Composite，PDC）具有高耐磨性。克朗普顿等人研究了天然金刚石对自身和其他材料的摩擦系数和磨损率，发现金刚石的摩擦系数和磨损率远远低于其他材料[1]。KESHAVAN和COOK对PDC轴承展开测试，重点探究PDC轴承的摩擦和磨损失效[2]。结论表明，机械磨损对PDC材料的影响微乎其微。SEXTON在对PDC轴承的高温测试中发现，PDC材料在800 ℃时会发生相变，金刚石开始大范围降解为石墨，硬度和耐磨性大大减小[3]。这导致轴承发生剧烈的机械磨损，工作寿命急剧缩短，直至完全失效[4]。

1 PDC轴承复合片实验室高温测试

PDC轴承在常温至800 ℃高温下发生的变化，如图1所示。在常温条件下，PDC轴承上的PDC插入复合片。表面光滑如新，完好无损。随着温度的逐渐升高，在达到一定高温时的变化情况。表面随着运行已经开始出现些许划痕，表面的光泽度也明显下降。究其原因，高温破坏了金刚石内部的部分化学键，导致其材质由金刚石向石墨转化，材料性能下降。温度达到800 ℃后，PDC插入复合片开始大规模转化为石墨，PDC轴承的工作性能大幅下降，耐磨性无法达到要求，磨损严重，直至轴承彻底失效。此时，表面磨损明显，无法继续工作。这一过程明确了PDC轴承插入复合片的失效机理和失效机制，为之后的PDC轴承失效规律探索奠定了基础。

PDC材料由于其内部的特殊结构，相较其他材料来说具有极高的硬度和耐磨性，摩擦因数较低，导热性通常是钢材的10倍，可应用于小尺寸涡轮钻具推力轴承的设计。因此，探究外部因素对PDC轴承失效的影响规律，可对PDC推力轴承的研究设计和实际应用提供重要的参考和指导意义。

对PDC推力轴承建模，利用ANSYS Workbench软件进行热力耦合分析，以800 ℃为轴承的热失效临界点，通过改变轴承转速和改变轴承流量，分别得到PDC轴承热失效时（极限状况）轴承转速和压载的关系、轴承流量和压载的关系等规律。

2 PDC轴承生热理论分析

小尺寸涡轮钻具PDC推力轴承工作时外部热源远远不足，导致PDC复合片发生材料相变。热量主要来自PDC轴承复合片运动过程中由于摩擦产生的热量H。在PDC轴承工作过程中，散热部分主要分为两部分：一是PDC轴承本身的散热H1（轴承向周围环境散发自身热量的趋势）；二是工作时通过轴承PDC复合片的冷却液在流动过程中带走的热量H2。带走的热量H2大小与PDC轴承复合片之间的间隙和冷却液的流量大小有关。

三者之间的关系为

运动过程中摩擦生成的热量H为

PDC轴承本身的散热H1为

通过轴承冷却液所带走的热量H2为

式中：f为轴承的摩擦因数；p为轴承的平均压强，Pa；v为轴承的线速度，m·s-1；Cp为液体的比热容，钻井泥浆比热容为3.2～3.5 J·g-1·℃-1；p为清水密度，取1.1～1.3 g·cm-3；Q为流量，m3·s-1；t0为液体的出口温度，℃；t1为液体的入口温度，℃；αs为轴承表面传热系数；πdB为轴承散热面积。

3 PDC轴承承载面积

PDC轴承处于运动状态时，轴承动环和静环之间的接触面积处于时刻变化中，存在最大轴承接触面积和轴承最小接触面积。为保证轴承的平稳运行，轴承静环和动环之间接触的复合片数量最好为偶数和奇数。动、静环复合片接触面积变化示意图。在考虑轴承工况条件和复合片相互间隙对复合片进行合理分布后，最大接触面积和最小接触面积的差值处于一个较小的范围，同时轴承的复合片接触面积大小处于一种规律性的变化。

4 PDC推力轴承热失效仿真实验

为更好地模拟和预测PDC推力轴承在井下的运行情况，对其进行了一系列仿真实验。例如，模拟井下高温环境下对推力轴承施加高转速、高载荷的极限工况，再根据轴承的最高温升是否达到800 ℃（造成PDC材料热失效）进行规律的推理总结。

工作温度为200 ℃，工作介质为清水，动环布片数为21，静环布片数为20，节圆直径为Φ45.5 mm，布片直径为Φ45.5 mm。为节省资源，对轴承模型进行一定程度的简化，去除倒角和不必要的零部件。轴承动静环之间的接触面积处于不断变化中，为230.49～230.92 mm2，故取平均值230.71 mm2。

图1 PDC轴承模型

4.1 材料属性及参数

轴承复合片材料为PDC，动静环基座皆为42CrMo，具体属性见表1[5]。

表1 轴承材料热物理特性

4.2 接触及载荷设置

接触形式为显式面面接触。第一接触面由动环的复合片上表面及柱面和动环座上表面组成，第二接触面由静环的复合片上表面及柱面和静环座上表面组成。摩擦面之间的摩擦系数取0.06，计算时间设置为0.15 s。对模型进行网格划分，单元类型为六面体网格（Hexa），划分采取MultiZone方法，单元大小为1～4 mm。

对动环施加转动约束，限制动环在平面上的左右移动，通过动环的角速度控制动环的转动。限制静环整体的6个自由度，对整个轴承施加对应的热对流条件，并对动环施加对应的转速，再对动环上表面施加轴向载荷，由动环指向静环。

4.3 极限状况下轴承转速与压力关系的测试方法

轴承转速、流量一定时，以轴承PDC复合片上的温度达到800 ℃为判断基准，通过改变施加在轴承轴向的载荷大小，确定PDC推力轴承在此条件下的临界载荷。不断改变轴承转速，重复上述实验，得出PDC推力轴承关于转速和载荷之间热失效的规律。流量为Q，大小为5 m3·s-1。轴承转速设置为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 极限状况下流量与载荷关系的测试方法

轴承转速、流量一定时，以轴承PDC复合片上的温度达到800 ℃为判断基准，通过改变施加在轴承轴向的载荷大小，确定PDC推力轴承在此转速下的临界载荷。不断改变流量的大小，重复上述实验，得出PDC推力轴承热失效中关于流量和载荷的规律。轴承转速为2 000 r·min-1，轴承流量Q为1 m3·s-1、2 m3·s-1、3 m3·s-1、4 m3·s-1和5 m3·s-1。

5 PDC推力轴承测试结果

5.1 极限状况下PDC复合片线速度与轴向力的关系

由图2可得出，在PDC推力轴承热失效的极限状况下，PDC复合片线速度与轴向力呈负指数相关。换言之，PDC轴承的转速越高，造成热失效所需的轴向力就越小；PDC轴承的转速越低，造成热失效所需的轴向力越高。

图2 线速度与轴向力之间的关系曲线

5.2 极限状况下通过轴承流量大小与轴向力的关系

从图3可得出，通过轴承的流量大小与轴承热失效所需的压载大小呈正相关。通过改变轴承流量的大小可有效控制轴承热失效的发生。

图3 轴承流量大小与轴向力之间的关系

6 结论

PDC轴承因其具有高耐磨、承载能力高等显著优点，被应用于制作井下工具。对PDC推力轴承热失效的相关因素进行仿真分析，探索和总结其影响规律，对实际工作应用具有指导意义。

在PDC轴承热失效（800 ℃）的极限状况下，PDC轴承的转速和轴向力呈负指数相关，可以为PDC轴承的设计和应用提供参考。

在极限状况下，通过轴承的流量大小与PDC轴承的轴向力大小呈正相关，表明流量可带走PDC复合片因摩擦产生的热量。因此，通过改变流量大小可有效防止PDC轴承热失效的发生。