组合轴承三维模型的构建方法探讨

朱 亮，张 红，向 如，胡文根，冯 定

组合轴承三维模型的构建方法探讨

朱 亮，张 红，向 如，胡文根，冯 定

（长江大学机械工程学院，湖北荆州434023）①

在高造斜率井眼轨迹控制工具中，采用一组特殊的轴承组合形式。为进一步验证其工作可靠性，在进行模拟仿真研究之前，需建立组合轴承的三维仿真模型。采用反馈调整方法，首先建立组合轴承初步模型，然后对其进行局部仿真分析设计，反馈调整模型游隙至合理范围；最终建立组合轴承的精确仿真模型。为下一步全方位仿真研究奠定基础。

组合轴承；三维模型；游隙；构建方法

在深井、超深井、大位移井和长距离水平井等特殊工艺井的开发中，旋转导向工具在复杂油层具有很大的优势。在钻井作业时，导向工具在进行钻进的同时还能对井身质量进行实时控制，而且不需要频繁的起下钻；使用导向工具钻出的井眼轨迹与滑动钻井相比具有更深、更远、更平滑的特点。旋转导向钻井技术使原来利用滑动钻井不能达到的复杂地层变成可能［1］。但在弯曲的井眼约束下，在高温、高压和高弯曲交变应力等恶劣工况下，其旋转运动状态十分复杂，钻具失效问题尤为突出。这对工具的承载能力、强度以及安全、密封及润滑性能提出了更高的要求。轴承作为导向工具的最主要旋转支撑零部件之一，其工作寿命和可靠性是支撑工具正常工作的有力保障。因此，对旋转导向工具的轴承进行设计和研究，保证正常钻井有重要的意义。

笔者研制的高造斜率井眼轨迹控制工具是一种新型的、无极、可调的指向式旋转导向钻井工具。为了保证主轴在旋转的同时可以弯曲，采用的是由一个调心滚子轴承和两个推力调心轴承组成的特殊组合轴承方案。为了研究这种组合轴承在井眼轨迹控制工具中的使用情况，验证其工作可靠性，采用三维模拟仿真方法围绕轴承游隙展开研究，因此，利用仿真软件对组合轴承进行运动分析之前精确的三维模型必不可少。本文将围绕调心滚子轴承和推力调心滚子轴承模型的构建过程进行阐述，并阐明如何利用反馈调整法对模型进行修改，最终得到比较准确的组合轴承三维模型［2］。

1　模型构建思路

要确保组合轴承三维模型构建的准确性，最重要的是控制仿真模型游隙与轴承实物原始游隙的差值在合理的范围内，在现有技术条件下有效的建模方法即是通过反馈调整方法控制轴承的游隙。

高造斜率井眼轨迹控制工具中的组合轴承是多个轴承和垫圈的组合结构，要保证组合轴承整体装配模型的准确性，必须保证单个轴承模型各项参数和轴承垫圈参数的准确性。模型构建过程中，首先对组合轴承中各部件全面了解，根据所使用的轴承型号查阅相关技术资料，计算建立模型所需尺寸。然后根据计算尺寸建立模型，将所得模型尺寸与标准规定游隙值对比，利用反馈调整法对模型进行修改，确保模型的准确性，再利用轴承尺寸设计出轴承垫圈尺寸并建立垫圈模型［3-4］，最终建立一定尺寸关系的组合轴承装配模型。整体建模的思路如图1所示。

图1　组合轴承三维模型的构建思路

2　模型构建

2．1 调心滚子轴承模型的构建

根据选用的调心滚子轴承型号21314，可以查得轴承内径d；轴承宽度B；轴承大径D；轴承内滚道通过轴心之间的距离d1；轴承外滚道通过轴心之间的距离De；内滚道之间沿径向最小距离di；外滚道两接触点间的轴向距离G等参数，如图2所示。

图2　调心滚子轴承主要参数

由已知参数，运用经验公式计算建模所需的其他几何参数［5］。

1） 名义接触角α。

2） 滚子运动中心圆直径Dcp。

3） 滚子直径（最大直径）Dw。

式中：K，N为经验系数。

4） 滚子直径范围。

5） 滚子数量Z。

6） 滚子长度L范围。

7） 外圈最小壁厚he范围。

根据上述公式计算结果初步建立调心滚子轴承模型，并根据经验公式计算轴承的径向游隙Gr和轴向游隙Ga［6］（如图3所示）。

图3　调心滚子轴承游隙

2．2 推力调心滚子轴承模型的构建

推力调心滚子轴承建模流程与调心轴承建模类似，根据选用的推力调心滚子轴承型号29317，可以查到座圈内径d；座圈外径D；轴承高度T；轴圈内径d1；轴圈外径D1；座圈滚道中心至轴圈基面距离A；座圈高度C等尺寸参数，如图4所示。

图4　推力调心滚子轴承主要参数

计算建模所需的相关尺寸，经验公式如下［7］：

1） 推力调心滚子轴承接触角α。

2） 座圈滚道球面半径Re。

式中：h1＝Kk（D－d），0．06≤Kk≤0．07；d1＝2× ［Re－（A＋T－h1）／2］×0．5；d2＝D－kd（D－d），0．05≤kd≤0．064；

3） 滚子与座圈接触处直径Dwe。

4） 持架兜孔中心圆直径Dwp。

5） 滚子数Z。

式中：1≤kz≤1．1。

6） 滚子最大直径Dw。

式中：0．42≤kD≤0．47。

7） 座圈最小壁厚hc。

8） 轴圈最小厚度he。

保持轴承轴套与座圈的相对位置固定，改变与滚子的尺寸位置相关的经验系数，逐步反馈验算比对，直到轴承游隙位于标准规定的范围之内。其计算公式为

图5　推力调心滚子轴承游隙

2．3 两类轴承游隙的验证及模型调整

由建立的模型最终可以确定各轴承游隙数值，将模型游隙与国家标准规定游隙中CN组（可省略）游隙值进行比较，如果模型游隙不在标准规定值范围内，则通过反馈调整法对模型进行修改，调整某个参数后，将所得的新模型游隙再与标准规定值对比，直到游隙位于标准规定范围内。

反馈调整具体操作方法为：调心滚子轴承调整游隙时通过保持内外圈公称尺寸不变，利用滚子长度范围条件0．36B≤L≤0．4B，通过试取满足条件的滚子长度L，结合标准及计算所得的游隙大小，同标准规定值相比较，直到所选取的滚子长度计算出的游隙位于标准规定值范围内；推力调心滚子轴承模型调整则通过保持内外圈公称尺寸不变，只改变滚子计算时的直径系数kD（0．42≤kD≤0．47），从而改变滚子直径到达调整模型游隙目的，直到轴承游隙位于标准规定范围内。这样只改变一个变量来调整轴承模型，可以减少改变多变量引起的计算复杂度，结果对比如表1所示。

表1　模型游隙与标准规定游隙比较μm

3　轴承垫圈模型的构建

轴承垫圈是根据实际工况自行设计的一个零件，它是组合轴承装配体中关键零件之一，根据轴承与垫圈之间的配合关系，实际工作过程中，垫圈受载情况和轴承垫圈材料的物理性质有关，垫圈材质的弹性模量E＝2．1×1011Pa，泊松比γ＝0．3，密度为ρ＝7．85×103kg／m3，运用仿真分析软件对不同尺寸轴承垫圈进行仿真分析，选取相同条件下承载能力最大的垫圈几何尺寸［8］。

4　组合轴承三维模型的整体装配

完成各部分模型建立后，根据各零件在组合轴承中相互的配合关系，利用计算机软件装配各部分零件，所得组合轴承装配模型效果图如图6所示。

图6　组合轴承三维仿真模型

5　结语

通过建立组合轴承的初步模型，对其进行局部仿真分析设计，反馈调整模型游隙至合理范围，最终建立组合轴承的精确仿真模型，为下一步全方位仿真研究奠定基础。

［1］ 冯定，袁咏心，李汉兴，等．井眼轨迹控制工具发展现状及趋势［J］．石油机械，2011，39（3）：70-74．

［2］ 张海龙．调心滚子轴承结构设计与分析［J］．轴承，1992 （4）：24．

［3］ 卢金燕，卢金泉，刘凡．调心滚子轴承装配方法的改进［M］．机械研究与应用，2009（5）：48-50．

［4］ 常洪．轴承装配工艺［M］．郑州：河南人民出版社，2006：208-218．

［5］ 杨咸启．推力调心滚子轴承结构主参数设计［J］．轴承，1996（9）：2-5．

［6］ 蔡素然，徐古洛．推力调心滚子轴承优化设计结构改进［J］．轴承，1998（4）：5-7．

［7］ 蔡素然，徐古洛．推力调心滚子轴承优化设计结构改进［J］．轴承，1998（4）：5-7

［8］ 赵振华，王凡，杨成水，等．基于Matlab／UG的短幅内摆线马达定转子建模及运动仿真［J］．石油矿场机械，2013，42（9）：27-31．

Discussion of Constructionmethod to Three-dimensionalmodel of Com bined Bearings

ZHU Liang，ZHANG Hong，XIAN G Ru，HUWengen，FENG Ding
（School ofmechanical Engineering，Yangtze Uniuersity，Jingzhou434023，China ）

In the high deflecting trajectory control tool prototype，a kind of special combination bearings were adopted，w hose reliability was not know n．Prior to a comprehensive sim ulation study to verify its reliability，a precise threedimensionalmodel of the combination bearingsis needed．Firstly，based on the calculated parameters，a crude bearingmodel was built，a feedbackmethod is adopted tomodify themodelto obtain its proper clearance during this process．An ultimately an accurate threedimensional combination bearingsmodel is built，lay a foundation for the next study based on the overallmodel．

combination bearings；threedimensionalmodel；clearance；constructionmethod

TE927

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．010

10013482（2015）03004404

①2014-09-29

国家自然科学基金“高造斜率井眼轨迹控制工具主轴井下力学行为分析”（51275057）；省级大学生创新创业训练项目“组合轴承的装配过程及仿真分析”（104892013024）；高等学校博士学科重点科研基金“高造斜率井眼轨迹控制工具主轴井下力学行为分析”（20124220110003）和2014石油天然气装备教育部重点实验室开放基金“井眼轨迹控制工具的高造斜率实现机理研究”（OG-E201403-01）联合资助

朱 亮（1991-），男，湖北黄石人，主要从事井下工具的仿真研究工作，Email：zhuliangfv＠126．com。