凿岩钻头的计算机辅助设计的制作方法

专利名称：凿岩钻头的计算机辅助设计的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及地钻旋转锥形钻头(earth-boring rotary drill bit),尤其涉及通过数字建模与模拟对这种钻头的设计和轴承的优化。
背景技术：
在利用旋转方法在地层中钻孔时，地钻钻头典型地釆用至少一个 可旋转地安装在其上面的旋转锥形刀具。钻头固定到钻柱的下端，其 中钻柱从表面或者通过井下电机旋转。当钻柱旋转时，安装到钻头上 的刀具旋转并滑动到钻孔的底部，由此接触并瓦解地层材料。旋转的 刀具有齿，该齿被来自钻柱的重量推动穿入并挖到钻孔的底部。
当刀具沿钻孔的底部旋转并滑动时，刀具及旋转安装到其上的轴 承受来自钻头上重量的大的静止负荷，而当刀具沿钻孔底部不平坦表 面旋转并滑动时，其承受所遇到的大的瞬时或冲击负荷。因此，大多 数地钻钻头都具有精确形成的轴颈轴承(journal bearing)和轴承表 面，及增加钻头钻孔寿命的密封润滑系统。该润滑系统通常是密封的， 以避免润滑剂损失并防止例如在钻孔中遇到的诸如磨粒的外来物质对 轴承的污染。压力补偿器系统最小化跨密封的压力差，使得润滑剂压 力等于或稍大于钻头和钻孔侧壁之间环形空间中的流体静力压力。
轴承设计成使得润滑剂膜存在于负荷轴承表面之间。轴承表面之 间的润滑剂膜可以薄到使相对移动的表面的不规则表面特征相互作 用。目前轴承设计的方法在极大程度上是通过现场的反复实验、通过 在观察其现场性能之后稍微修改目前设计或者通过在实验室设计并建 立用于测试的物理模型。地钻钻头承受极端的压力和温度，因此钻头， 尤其是密封和轴承表面，比现有技术工作时间长的能力就导致地钻钻 探具有更高负荷能力和增加的寿命并因此有更经济地工作。通过反复 实验的设计是昂贵且耗时的。到目前为止，在已经设计出的帮助轴承 设计的混合润滑剂计算机模型中，大多数是基于理想化支撑的轴，而 且还没有考虑轴的偏斜、失准及与关于轴承中传热的粗糙面接触
(asperity contact)。这些计算机才莫型已经用于其中小的轴颈和推力 轴承承当小负荷的硬盘驱动的轴承系统，还用于其中轴颈轴承承当重 负荷的汽车引擎中的曲轴轴承。

发明内容
本发明的实施方式有利地提供了用于通过使用稳态混合的热弹 流体动力学计算机模型优化地钻钻头设计的方法和程序产品，其中该 计算机模型考虑到了表面粗糙度、粗糙面接触、表面热弹性变形、润 滑剂粘性的温度-压力依赖特性及例如轴支撑和轴承表面之间失准的 系统几何约束的影响。该计算机模型允许对在苛刻运行环境下运行的 钻头进行设计。在优选实施方式中，该计算机模型应用到轴颈轴承， 在可选实施方式中，该计算机模型应用到耦合的轴颈-推力轴承。
在本发明的一种实施方式中，设计处理的方法首先涉及利用用于 特定钻头的设计参数构成计算机模型。设计参数可以包括如钻头的通 用布局、钻头制造所选的材料及相关的材料属性、还有用在钻头轴承 中的润滑剂的属性等。设计处理涉及一系列计算，通过这些计算来计 算钻头轴承中的流体动力学特性和粗糙面接触压力并使系统平衡。可 能要求进行设计处理的迭代，来实现期望的钻头和轴承设计。
本发明的实施方式还包括优化地钻钻头设计的计算机可读介质。 例如，根据本发明的实施方式，计算机可读介质包括一组指令，当该 组指令被计算机执行时，使计算机接受初始设计参数的输入、执行一系列计算并返回用于地钻钻头的最优设计。在可选实施方式中，当该 组指令被计算机执行时，将使计算机执行一系列计算，该计算将提供 用于地钻钻头中轴承的最优设计。
在本发明的另 一种实施方式中，优化地钻钻头设计的系统可以包 括具有处理器、耦合到该处理器的存储器及存储在该存储器中的地钻 钻头优化程序产品的计算机。该地钻钻头优化程序产品可以包括执行 接收输入数据操作的指令，包括执行优化地钻钻头设计操作所需的输 入数据，而且在一种实施方式中，还包括执行地钻钻头轴承优化所需 的输入数据。
本发明实施方式的结果是所设计的地钻钻头包括具有高功率密 度的紧凑轴承设计。计算机模型已经利用实验测量数据进行了验证。


因此，可以更详细地理解本发明特征与优点及其它将显而易见的 方式，对以上简略概述的本发明的更具体的描述可以参考在附图中说 明的实施方式，其中附图构成了本说明书的一部分。但是，应当指出， 附图仅仅说明了本发明的各种实施方式，因此不应当认为是限制本发 明的范围，本发明还可以包括其它有效的实施方式。
图l是根据本发明构造的地钻钻头一部分的截面图。
图2用图形表示出了轴颈-推力轴承系统的角度失准的几何图形。
图3示出了总体的地钻钻头设计优化处理的实施方式。
图4示出了地钻钻头轴承部分的设计优化处理的实施方式。
图5示出了地钻钻头轴承部分的设计优化处理的可选实施方式。
图6示出了地钻钻头轴承部分的设计优化处理的另一种可选实施方式。
具体实施例方式
以下将参考附图更完整地描述本发明，其中

了本发明的 实施方式。但是，本发明可以以许多不同形式实现，而不应当认为被限定到在此所说明的实施方式。而且，提供这些实施方式是为了使本 公开透彻与完整，并将完整地向本领域技术人员传达本发明的范围。
参考图1，钻头ll有至少一个钻头腿(bitleg) 13，而且通常有 三个。每个钻头腿13有一个朝钻头11的旋转轴向下向内延伸的轴承 销15。轴承销15在内端有直径比轴承销15剩佘部分小的圆柱形突出 部分17。向内的环形推力肩19围绕着突出部分17。推力肩19位于与 轴承销15的轴垂直的平面内。在这种实施方式中，推力肩19可选地 具有硬的、耐磨损材料的嵌入物21。类似地，突出部分17也可以在 其圆柱形外表面上具有相同耐磨损材料的嵌入物23。
轴承销15具有围绕其下侧延伸的部分圆柱形的轴颈轴承表面 25。在这种实施方式中，」硬的耐磨损材料的可选嵌入物27位于该轴颈 轴承表面25中。由于施加到钻头11上的推力是向下的，因此嵌入物 27不需要延伸到轴承销15的上侧。润滑剂通道29延伸通过钻头腿13 和轴承销15,到达轴承销15的上侧。压力补偿器(未示出)向通道 29提供施压的润滑剂。
刀具或锥体31旋转安装到轴承销15。锥体31在其外部有多个齿 33。图1示出了来自旋转到单个平面的钻头11的所有三个锥体31的 齿33。 如图所示，齿33可以是压到锥体31主体中匹配孔中的硬金 属插入物。可选地，它们也可以是轧入锥体31外部的钢齿。
锥体31有用于旋转安装到轴承销15上的中心腔35。腔35有与 锥体31的轴垂直的、用于与轴承销推力肩19匹配的推力肩37。推力 垫圏39位于推力肩19和37之间。尽管它可以铜焊或焊接到肩19或 37中的一个上，但是在优选实施方式中，推力垫圏39没有固定到推 力肩19或37的^f壬一个上。
在这种实施方式中，轴承套筒41位于锥体31的腔中，充当密封 部件49的一部分。有多种密封可以使用。在这个例子中，轴承套筒 41与锥体31—起旋转，而且在这种实施方式中，滑动地与钢性密封 环47接合。优选地，密封47也是由硬化的材料形成，并且被弹性加 力环(elastomeric energizing ring) 48逆着轴承套筒41推进。挡圏43围绕腔35与挡圈槽45接合延伸，以便将锥体31保持在轴承销15 上。其它类型的护圈使用球(未示出)。密封部件49将润滑剂密封到 轴承销15与锥体31之间的空间中。
转向图3，其示出了地钻钻头设计优化处理的实施方式。该设计 优化处理涉及稳态混合热弹流体动力学计算机模型的使用，其中该计 算机模型考虑到了表面粗糙度、粗糙面接触、表面热弹性变形、润滑 剂粘性的温度-压力依赖特性及例如轴支撑和轴承表面之间失准的系 统几何约束的影响。
首先，如在步骤102中所指示的，应用参数(例如钻头上的重量、 钻头的旋转速度、岩层的耐压强度及要施加到钻头的负荷)输入到计 算机模型中。在优选实施方式中，应用参数可以从可能最常使用或者 优选的应用参数库中选择。在可选实施方式中，应用参数可以手动输 入到计算机模型中。
在设计处理的下一个步骤104中，选择用于钻头的(包括用于轴 承和轴颈的)材料及这种材料的相关属性。在优选实施方式中，存在 通常使用材料的材料属性库，并且通过从该库中选择材料，与这种材 料关联的材料属性输入到计算机模型中。库中不存在的材料的材料属 性可以手动输入到计算机模型中。
接下来，参考步骤106，输入定义轴承布局的基本设计参数。其 可能包括例如钻头直径、钻头总体长度、切割表面类型、轴承直径、 轴承长度及轴承表面粗糙度的信息。在优选实施方式中，用于各种标 准尺寸钻头的惯用设计库包含在计算机模型中，而且当从该库中选择 计算机模型中所使用的设计时，所有需要的设计参数都输入到计算机 模型中。可选地，定义轴承布局的设计参数可以手动输入到计算机模 型中。在完成步骤102至106后，轴承设计分析在步骤108中执行。
图4示出了步骤108的轴承设计分析的实施方式。该步骤108优 化地钻钻头的轴承部分。轴承设计分析中的第一步IIO是输入系统数 据。系统数据包括轴承部分的机械和热属性，例如材料属性、润滑剂 属性及几何属性。轴承部分的材料属性可以包括例如选择用来构建钻头部件的材 料的弹性系数、拉伸和耐压强度及其它物理属性。在优选实施方式中，
在步骤104输入的材料属性将在步骤110中使用。可选地，用于步骤 110中的轴承部分的材料属性也可以从通用材料的材料属性库中选 择，而且通过从库中选择材料，与这种材料相关的材料属性就输入到 计算机模型中。可选地，用于轴承部分的材料属性可以手动输入到计
算机模型中。
步骤110中的润滑剂属性可以包括例如要被使用的润滑剂的粘性 参数、密度参数、导热系数、比热及其它属性。在优选实施方式中， 润滑剂属性可以从通用润滑剂的库中选择，而且通过从库中选择润滑 剂，与这种润滑剂相关的润滑剂属性就输入到计算机模型中。可选地， 润滑剂属性也可以手动输入到计算机模型中。
步骤110中的几何数据可以包括例如钻头的直径、钻头总体长度、 切割表面的类型、轴承的直径、轴承的长度及轴承表面的粗糙度。在 优选实施方式中，来自步骤106的定义轴承布局的设计参数可以在步 骤110中使用。可选地，步骤110中用于轴承部分的几何数据可以从 标准配置库中选择，而且通过从库中选择配置，与该配置相关的几何 数据就被输入到计算机模型中。可选地，用于轴承部分的几何数据也 可以手动输入到计算机模型中。
按照系统数据的输入，计算机模型所需的数据库在步骤112中构 成。计算机模型使用轴颈和轴承二者的弹性与热弹性影响函数矩阵及 两个匹配表面之间粗糙面接触压力与间隙的半经验或经验关系。弹性 矩阵提供了施加到轴承的力与位移之间的关系。热弹性矩阵提供了元 件温度升高与由于热膨胀导致的位移之间的关系。在优选实施方式中， 矩阵是根据步骤IIO中输入的系统数据生成的，而且不需要更多的输 入。
半经验粗糙面接触公式涉及粗糙轴承表面之间的物理接触。该半 经验粗糙面接触公式用于将两个匹配表面之间的间隙和接触面积及接 触压力相关联。在优选实施方式中，存在用于各种标准表面的粗糙面接触公式的库，而且通过选择用于相关轴承部分的表面，通过适当的 粗糙面接触公式构成了计算机模型。可选地，用于轴承表面的粗糙面 接触公式可以手动输入到计算机模型中。
在处理的下一步114中需要数据输入。这种数据可以包括每个轴 承上的预期负荷、旋转部分的速度、轴承间隙、轴承表面的表面参数、 运行过程中的环境温度分布及轴颈和轴承的中心线之间的失准角。在 优选实施方式中，来自步骤102的应用参数，例如钻头上的重量、钻 头的旋转速度、岩层的耐压强度及估计的侧部负荷，用于计算作用在 每个轴承上的负荷。当前的环境温度可以根据给定的温度分布计算。
统计性表面参数，例如轴承表面的均方根平均和自相关长度，可 以从测量数据计算。统计性表面参数可以用于说明轴承表面的粗糙度 对润滑的影响。可选地，确定性方法，例如基于有限元的针对真实表 面(with real surface )的计算机模型，可以用于润滑分冲斤。该确定性 方法可以允许更大的精度，但需要更多的计算时间。
转向图2，示意性并在很大程度上夸大地示出了轴颈51与锥形轴 承53中心线之间的失准角a。该失准角是制造与组装过程中几何失准 及轴颈51偏斜的结果。在一种实施方式中，该失准角不是作为特定数 值输入的，而是由计算机模型根据步骤102、 104、 106、 110和112 中提供的信息计算的。更特别地，来自步骤102的所估计的钻头上的 负荷、步骤106和110中所提供的轴承布局与几何数据可以用于计算 轴颈与轴承中心线之间的角度失准。
转向图4,在步骤114中，输入对偏心率比和装填角的初始估计。 偏心率是轴承中心线与稳态轴颈中心线之间的偏离。偏心率比是偏心 率与轴承间隙之间的比，并可以利用来自步骤110的几何数据进行估 计。
下一步是在步骤116中计算润滑剂粘性和密度。润滑剂的粘性和 密度都可以是温度和压力的函数。在给定温度和压力下确定粘性和密 度所需的参数是在步骤110输入到计算机模型中的。润滑剂的粘性将 直接影响轴颈和推力轴承的负荷能力。在一种实施方式中，粘性是利用由Bair ( S.Bair， "The High Pressure Rheology of a Soap-thickened Grease" ， Tribology Transactions, 37(1994)646-650 )提出的经验粘 性-温度-压力关系(在此引入其全部内容作为参考)计算的
/^:/^exp -^——
""g 1 c2+(r-rg), J
其中下标g代表润滑剂的玻璃转化点(glass transition point), T是温度，d和C2是基本油系数，而F是基本油参数。
在 一 种实施方式中，假设润滑剂具有等于润滑剂膜平均粘性的均 匀粘性。在可选实施方式中，考虑到跨润滑剂膜厚度的粘性变化。
热弹性变形与膜厚度在下一步118中计算。轴承和轴颈表面的变 形可以表示为弹性和热变形的总和。因为轴承温度是相对均匀的，所 以轴颈的热变形可以由以下热膨胀/>式表示
& (6, A71) = arA7>(l + ￡ cos(e - p))
其中Ar是轴承中的平均温度增加，《,7>的乘积是间隙变化，而
l + "o一1)是当给定偏心率比s时在不同圆周位置的调整。^V是轴承
的热变形，c^是热膨胀系数，r是轴承半径，e是圆周坐标，而cp是 轴承或装填角。
轴颈热变形、轴颈弹性变形及轴承弹性变形可以利用由Shi和 Wang( F.H.Shi， Q.Wang, "A mixed画TEHD Model for Journal-Bearing
Conformal Contacts — Part I: Model Formulation and Approximation of Heat Transfer Considering Asperity Contact ，， ， Journal of Tribology, 120(1998)198-205 )及Wang等(Q.Wang， F.H.Shi, S.C.Lee, "A mixed-TEHD Model for Journal-Bearing Conformal Contacts -Part II: Contact, Film Thickness and Performance Analyses", Journal of Tribology， 120(1998)206-213)描迷的影响函数方法计算， 通过引入这两篇文章的全部内容作为参考。轴承的总变形是以上热变 形公式的结果与通过影响函数方法得到的弹性变形结果的总和。轴颈 的总变形是热与弹性变形的总和，这两者都是利用影响函数方法计算 的。
总的膜厚度是两个粗糙表面之间的平均间隙。该平均间隙将是额定间隙与表面变形的总和，其中额定间隙包括轴颈和轴承之间的角度
失准。总的膜厚度hT可以如下计算
^ /、
~ = c + e cos(夕一 p) + a z——cos(夕-p) + ^ +
、 2」
其中c是轴承间隙，e是偏心率比，(p是轴承或装填角，a是失 准角，z是宽度坐标，/是轴承长度，而^和A分别是轴颈与轴承表面 的热弹性变形。
接下来，在步骤120中通过求解平均Reynolds公式来计算流体 动力压力，其中Reynolds公式描迷了流体动力压力与润滑剂膜厚度之 间的关系
3
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A。M
其中^和A是压力流因子，而A是剪切流因子。下标B指轴承， R是半径，p是密度，h是柔量(compliance) ， p是压力，0是圆周 坐标，z是宽度坐标，hT是总的膜厚度，U是轴颈速度，而cr是粗糙 度的均方根。在一种实施方式中，Reynolds边界条件可以用于求解该 平均Reynolds >式。
处理中到目前为止，还没有给出迭代或可选的顺序。这里，在处 理中，给出了可选路径。根据流体动力压力的计算，计算机模型在步 骤122中确定压力是否收敛。这是通过比较从连续的迭代所计算出的 压力来实现的。当连续的迭代的值在给定容差之内时，认为压力已经 收敛。该容差可以在例如10—5到10—6内。如果压力收敛，则计算机模 型继续到步骤124。在一种实施方式中，如果初始压力和流体动力压 力不在步骤122中选定的容差之内，则计算机模型前进到步骤123, 在那里引入或调整松弛因子，然后计算机模型返回步骤120，在那里 重新计算流体动力压力。松弛因子是用于帮助使发散或緩慢收敛的迭 代处理收敛的值。可选地，其它输入也可以修改。步骤120至123可 以根据需要重复很多次，以使压力收敛在选定容差内。
如果在步骤122中压力收敛，则计算机模型继续到步骤124并计 算粗糙面接触压力。粗糙面相互作用是混合润滑中的一个主要特征，在混合润滑中接触的粗糙面分担施加到轴承的 一部分正常负荷
(normal load )。半经验粗糙面接触公式近似粗糙面接触压力和两个 匹配表面之间平均间隙之间的关系。该平均间隙是计算粗糙面接触负 荷所需的。为此可以使用的该粗糙表面接触模型是由Lee和Ren
(S.C丄ee ， N.Ren ，" Behavior of Elastic-Plastic Rough Surface
Contacts as Affected by the Surface Topography, Load and Materials" ， Tribology Transactions, 39(1996)67-74)开发的，在此 引入该文章的全部内容作为参考。
但是，如果确定在轴承表面之间没有物理接触，则不需要步骤 124。膜厚度相对于均方根粗糙度的比率可以用于确定什么时候需要步 骤124。在优选实施方式中，如果膜厚度相对于均方根粗糙度小于3， 则可以假设轴承表面之间有物理接触，且应当执行步骤124。其它公 式或因子可以用于确定是否需要步骤124。在下一步126中计算总的 力。总的力是由于流体动力压力和粗糙面接触压力造成的力的总和。 过程中的下一步128是询问力是否平衡。为了确定力是否平衡，在轴 承表面上的流体动力压力和粗糙面接触压力结合并与先前相同计算的 迭代进行比较。如果在步骤128中力不平衡，则计算机模型前进到步 骤116,在步骤116中对所计算的粘性和密度进行调整，而且步骤116 至128可以根据需要重复许多次，直到在步骤128中力收敛。
一旦在步骤128中力收敛，则计算机模型就移动到步骤130，在 步骤130计算装填角。装填角是总的力的垂直与水平分量之间的角度。 装填角可以通过确定总的力的矢量分量来计算。在下一步132中，过 程确定装填角是否收敛。这是通过比较步骤114的装填角估计结果与 步骤130中计算的装填角来实现的。如果装填角不在给定容差内，则 过程继续到步骤134，在那里调整装填角。然后，过程返回步骤116， 且重复步骤116至132,直到装填角在给定容差内。
如果装填角在容差内，则过程继续到步骤136，在那里过程确定 负荷是否收敛到给定的负荷。这是通过比较步骤126中计算的力与步 骤114中作为输入数据提供的负荷来实现的。如果力的差不在给定容差内，则过程继续到步骤138，在那里调整偏心率比。然后，过程返 回步骤116,并且重复步骤116至136，直到负荷在给定容差内。
如果负荷在给定容差内，则处理继续在步骤140中求解温度。能 量公式用于计算由轴承产生的热。热可能由润滑剂与固体表面的相互 作用、润滑剂本身及通过接触摩擦产生。
接下来，计算机模型在步骤142中确定温度是否收敛。这是通过 利用所计算的热传递平衡在步骤140中确定的热生成来决定的。在优 选实施方式中，如果产生和传递的热量不平衡，则过程返回步骤116。 在重复步骤116至142之前，装填角或偏心率或其它输入可被修改， 直到温度收敛。这完成了过程中轴承设计分析部分的第一次迭代。
轴承设计分析的可选过程在图5示出。步骤110至134与第一实 施方式中的相同。但是，在步骤132中装填角收敛之后，过程接下来 在步骤236中求解温度。使用本领域技术人员已知并理解的能量公式 计算在轴承中产生的热。热可能由润滑剂与固体表面的相互作用、润 滑剂本身及通过接触摩擦产生。接下来，计算机模型在步骤238中确 定温度是否收敛。这是通过比较在连续的迭代中所计算的温度来实现 的。在优选实施方式中，如果温度差在预设的容差内，则过程返回步 骤116。在重复步骤116至132和236至238之前，装填角或偏心率 或其它输入可以修改，直到温度收敛。
如果产生和传送的热平衡，则计算才几模型继续到步骤240，在那 里过程确定负荷是否收敛。这是通过比较在步骤126中所计算的力和 在步骤114中作为输入数据提供的负荷来实现的。如果力的差不在给 的容差内，则过程继续到步骤242，在那里调整偏心率比。然后，过 程返回步骤116，且重复步骤116至132及236至240，直到力的差在 给定容差内。如果负荷收敛，则完成了轴承设计分析过程中的第一次 迭代。
轴承设计分析的另一种可选过程在图6中示出。步骤110和112 与前面两种实施方式中的相同。但是，不包括在步骤314中作为数据 输入的负荷，相反提供偏心率比。在处理的步骤314中需要数据输入。、轴承间隙、轴承表面的表面参数、 运行过程中的环境温度分布、轴颈与轴承之间的失准角及偏心率比。
来自步骤102的应用参数，例如钻头上的重量、钻头的旋转速度、岩 层的耐压强度及所估计的总体上施加到钻头和轴承上的负荷，都可以 用于计算每个轴承部分的负荷、速度及间隙。当前的环境温度可以从 给定的温度分布计算。
轴承表面的表面参数可以确定性地或者统计性地计算。统计性参 数可以由计算机;f莫型用于处理轴承表面粗糙度对润滑的影响。可选地， 确定性方法，例如针对局部密集(with local enrichment)的基于有限 元的模型，可以由计算机模型用于润滑分析。该确定性方法可以允许 更大的精度，但需要更多的计算时间。
转向图2，示意性并在很大程度上夸大地示出轴颈51与锥形轴承 的角度失准a。该失准角a是制造与组装过程中几何不对准及轴颈51 偏斜的结果。在优选实施方式中，该失准角不是作为特定数值输入的， 而是由计算机模型从步骤102、 104、 106、 110和112中提供的信息计 算的。更具体地，来自步骤102的所估计的钻头上的负荷、步骤106 和110中所提供的轴承布局与几何数据、步骤104和110的材料属性 及来自步骤112的变形关系都可以用于计算轴颈与轴承之间的角度失 准。回到图6，输入对偏心率比和装填角的初始猜测。
下一步是在步骤316中计算润滑剂粘性和密度。润滑剂的粘性和 密度都可以是温度和压力的函数。在给定温度和压力下确定粘性和密 度所需的参数是在步骤110输入到计算机模型中的。润滑剂的粘性将 直接影响轴颈和推力轴承的负荷能力。在一种实施方式中，粘性是利 用由Bair ( S.Bair， "The High Pressure Rheology of a Soap-thickened Grease" ， Tribology Transactions, 37(1994)646-650 )提出的经验粘
性-温度-压力关系计算的
「-2.3q(r-r》F、
〃〃p exp -^—
"^ 、 c2+(r —J
其中下标g代表润滑剂的玻璃转化点，T是温度，d和Q是基 本油系数，而F是基本油参数。在一种实施方式中，假设润滑剂具有等于润滑剂膜的平均粘性的 均匀粘性。在可选实施方式中，考虑到跨润滑剂膜厚度的粘性变化。
热弹性变形与膜厚度在下一步318中计算。轴承和轴颈表面的变 形可以表示为弹性和热变形的总和。因为轴承温度是相对均匀的，所 以轴承的热变形可以由以下热膨胀公式表示
&r (0， Ar) = arA7>(l + f cos(夕一 p))
其中Ar是轴承中的平均温度增加，《47>的乘积是间隙变化，而 i + "os(e-W是当给定偏心率比s时在不同圆周位置的调整。^^是轴承
的热变形，而c^是热膨胀系数，r是轴承半径，e是圆周坐标，而cp
是轴承或装填角。
轴颈热变形、轴颈弹性变形及轴承弹性变形可以利用由Shi和 Wang( F.H.Shi, Q.Wang， "A mixed國TEHD Model for Journal-Bearing
Conformal Contacts — Part I: Model Formulation and Approximation of Heat Transfer Considering Asperity Contact ，， , Journal of Tribology， 120(1998)198-205 )及Wang等(Q.Wang, F.H.Shi, S.C丄ee， "A mixed-TEHD Model for Journal-Bearing Conformal Contacts — Part II: Contact, Film Thickness and Performance Analyses", Journal of Tribology, 120(1998)206-213)描述的影响函数方法计算。 轴承的总变形是以上热变形公式的结果和通过影响函数方法得到的弹 性变形结果的总和。轴颈的总变形是热和弹性变形的总和，这两者都 是利用影响函数方法计算的。
总的膜厚度是两个粗糙表面之间的平均间隙。该平均间隙将是额 定间隙与表面热弹性变形的总和，其中额定间隙包括轴颈和轴承之间
的角度失准。总的膜厚度hT可以如下计算
f /、
~ = c + e cos(<9 —伊)+ or z——cos(夕—p) + ~ + <5S
V 2」
其中c是平均间隙，e是偏心率，(p是轴承或装填角，a是失准 角，z是宽度坐标，/是轴承长度，而^和^分别是轴颈与轴承的热弹
性变形。
接下来，在步骤320中通过求解平均Reynolds公式来计算流体动力压力，其中Reynolds公式描述了流体动力压力与润滑剂膜厚度之 间的关系
<formula>formula see original document page 21</formula>
其中^和a是压力流因子，而a是剪切流因子。下标B指轴承，
r是半径，p是密度，h是柔量，p是压力，e是圆周坐标，z是宽度
坐标，hT是总的膜厚度，U是轴承速度，而o是粗糙度的均方根。在 一种实施方式中，Reynolds边界条件可以用于求解这个平均Reynolds 公式。
处理中到目前为止，还没有给出迭代或可选的顺序。这里，在处 理中，给出了可选路径。根据流体动力压力的计算，计算机模型在步 骤322中确定压力是否收敛。这是通过比较从连续的迭代所计算出的 压力来实现的。当来自连续的迭代的值在给定容差之内时，认为压力 已经收敛了。该容差可以在例如10-5到10'6内。如果压力收敛，则计 算机模型继续到步骤324。在一种实施方式中，如果在连续的迭代中 所计算的流体动力压力的不在步骤322中的预定容差之内，则计算机 模型前进到步骤323，在那里调整松弛因子，然后计算机模型返回步 骤320，在那里重新计算流体动力压力。松弛因子是用于帮助使发散 或緩慢收敛的迭代处理收敛的值，并且是在计算机代码中预定的。可 选地，其它输入可以修改。步骤320至323可以根据需要重复很多次， 以使得压力收敛在选定容差内。
如果在步骤322中压力收敛，则计算机模型继续到步骤324并计 算粗糙面接触压力。粗糙面相互作用是混合润滑中的一个主要特征， 在混合润滑中接触的粗糙面分担施加到轴承的一部分正常负荷。半经 验粗糙面接触公式近似粗糙面接触压力和两个匹配表面之间平均间隙 之间的关系。该平均间隙是计算粗糙面接触负荷所需的。为此可以使 用的这种粗糙表面接触才莫型是由Lee和Ren ( S.C.Lee， N.Ren，
"Behavior of Elastic-Plastic Rough Surface Contacts as Affected by the Surface Topography, Load and Materials ，， ， Tribology Transactions, 39(1996)67-74 )开发的。但是，如果确定在轴承表面之间没有物理接触，则不需要步骤
324。膜厚度相对于均方根粗糙度的比率可以用于确定什么时候需要步 骤324。在优选实施方式中，如果膜厚度相对于均方根粗糙度的比小 于3，则可以假设轴承表面之间存在物理接触，并应当执行步骤324。 其它公式或因子可以用于确定是否需要步骤324。在下一步326中计 算总的力。总的力是轴承表面上流体动力压力和粗糙面接触压力的总 和。
过程中的下一步328是询问力是否收敛。为了确定力是否收敛， 在轴承表面上流体动力接触压力和粗糙面接触压力结合并与先前迭代 中所计算的进行比较。如果在步骤328中力不收敛，则计算机模型前 进到步骤316，对油脂粘性进行调整并修改密度，并且可以根据需要 重复步骤316至328多次，直到在步骤328中力收敛。
一旦在步骤328中力收敛，则计算机模型就移动到步骤330，在 那里计算装填角。装填角是总的力的垂直与水平分量之间的角度。装 填角可以通过确定总的力的矢量分量来计算。如果装填角不收敛，则 过程继续到步骤334，在那里调整装填角。然后，过程返回步骤316， 并且重复步骤316至332,直到连续的迭代之间的装填角的差在给定 容差内。
如果装填角在容差内，则过程继续到步骤336，在那里计算温度。 使用能量公式计算由轴承产生的热。热可以通过润滑剂与固体表面的 相互作用、润滑剂本身及通过接触摩擦来产生。在下一步338中，该 过程确定温度是否收敛。这是通过比较连续的迭代中所计算的温度实 现的。在优选实施方式中，如果温度差在预设容差内，则过程返回步 骤316。在重复步骤316至338之前，装填角或偏心率比或其它输入 可以修改，直到温度收敛。这完成了过程中轴承设计分析部分的第一 次迭代。
返回图3，总体钻头设计处理中的下一步146是确定是否有足够 的负荷支撑。来自步骤108的结果用于在步骤146中确定对于所施加 的重量和负荷，是否有足够的负荷支撑。如果确定负荷可以在设计参数内支撑，则计算机模型移动到步骤148。
如果没有足够的负荷支撑，则计算机模型将移动到步骤150，并 且例如紋理(textured)表面的表面特征可以应用到一个或单个轴承 表面。应用紋理表面造成在制造处理中需要一个附加步骤，因此优选 的是不需要任何紋理表面。但是，如果在步骤146中没有足够的负荷 支撑，则应用紋理表面可以提供附加的提升力。将应用表面紋理的表 面可以是合金钢，例如包含0.15。/oC、 0.8%Mn、 0.55%Cr、 0.85%Ni 或0.25%Mo或者其它类似材料的合金钢。
通过在刀具31 (图1)的旋转过程中保留一些润滑，紋理表面将 增强润滑。具有紋理表面可以在滑动表面之间提供比使用光滑表面的 地钻现有技术更低的滑动摩擦系数。此外，具有紋理表面可以降低工 作温度，由此减少热疲劳裂缝集结。根据最近的调查研究工作，紋理 表面具有减少在启动和停止状态下所产生的损坏的益处。它既充当润 滑剂储藏器，来帮助润滑表面，又充当阻尼器，吸收冲击负荷。表面 紋理可以采取平行凹槽，不同形状、大小和深度凹痕阵列及不同形状、 大小和高度的微粗糙体的形式。
返回图l，轴承套筒41具有对应于内嵌物27的轴承面57的轴承 面55。紋理表面可以应用到轴承面55或57中的至少一个，而且也可 以应用到内嵌物21和23、推力肩37及推力垫圏39。
在一种实施方式中，在已经添加紋理后，如由步骤152所指示的， 如果步骤150的迭代次数很少，例如3次或更少，则计算机模型返回 步骤108并重复步骤110至146。可选地，如果步骤150迭代次数很 多，例如超过3次，且计算机模型仍然发现没有足够的负荷支撑，则 计算机模型移动到步骤154并改变轴承尺寸。在一种实施方式中，如 由步骤156所指示的，如果步骤154的迭代超过2次，则计算机模型 返回步骤104并重复步骤104至146。如果步骤154例如迭代2次或 者更少，则计算机模型返回步骤106并重复步骤106至146。在可选 实施方式中，各种次数的迭代可以使计算机模型采取可选的步骤或者 可以改变下一次迭4戈的其它尺度(dimension)。在步骤146中已经确定有足够的负荷支撑后，用于制造钻头的处 理由步骤158定义，且钻头由步骤160制造。
尽管本发明实施方式已经在完整功能性方法的情况下进行了描 述，但本领域技术人员将认识到，本发明的机制和/或其各方面能够以
各种形式指令的计算机可读介质的形式分发，其中指令用于在处理器 等上执行，而且不管用于实际执行分发的信号承载介质的特定类型是 什么，本发明都可以同等地应用，指出这点是很重要的。计算机可读 介质的例子包括例如只读存储器(ROM)或电可擦除只读存储器 (EEPROM)的非易失性、硬编码类型介质，例如软盘、硬盘驱动器 和CD-ROM的可记录类型介质及例如数字和模拟通信链路的发射类 型介质。
本发明的实施方式将包括用于优化地钻钻头设计的计算机可读 介质。例如，根据本发明的实施方式，计算机可读介质包括一组指令， 当该组指令被计算机执行时，使计算机接受初始设计参数的输入、执 行一系列将返回地钻钻头最优设计的计算。在可选实施方式中，当该 组指令被计算机执行时，将使计算机执行一 系列将提供对地钻钻头中 轴承最优设计的计算。
更具体而言，返回图3，计算机可读介质包括一组指令，当该组 指令被计算机执行时，将执行一 系列求解稳态混合热弹流体动力学计 算机模型的计算，所述稳态混合热弹流体动力学计算机模型考虑表面 粗糙度、粗糙面接触、表面热弹性变形、润滑剂粘性的温度-压力依赖 特性及系统几何约束的影响，其中系统几何约束如轴支撑和轴承表面 之间的失准。
首先，这组指令将使计算机在步骤102中接受应用参数的输入， 所述应用参数例如钻头上的重量、钻头的旋转速度、岩层的耐压强度 及施加到钻头上的负荷。在优选实施方式中，计算机可读介质将包含 最常用的应用参数或者优选应用参数库，而且这组指令将使得能够从 这个库中选择特定的应用参数。在可选实施方式中，这组指令将使得 计算机能够接受手动输入到计算机中的应用参数。在下一步104中，这组指令将使计算机接受用于钻头材料及用于 这种材料的相关属性的输入，所述材料包括用于轴承和轴颈的材料。 在优选实施方式中，计算机可读介质将包含常用材料的材料属性库， 而且这组指令将使得能够从该库中选择材料。在这种实施方式中，这 组指令将使得与所选材料关联的材料属性被计算机接受。在可选实施 方式中，这组指令将使得计算机能够接受手动输入到计算机中的材料 和材料属性。
接下来，参考步骤106，这组指令将使计算机接受对定义轴承布 局的基本设计参数的输入。其可以包括例如钻头直径、钻头总体长度、 切割表面类型、轴承直径、轴承长度及轴承表面粗糙度的信息。在优 选实施方式中，计算机可读介质将包含用于各种标准尺寸钻头的惯用 设计库及与那些钻头设计关联的全部所需的轴承设计参数，并且这组 指令将使得能够从该库中选择设计。在这种实施方式中，这组指令将 使得与所选钻头关联的轴承设计被计算机接受。在可选实施方式中， 这组指令将使得计算机能够接受手动输入到计算机中的定义轴承布局 的轴承设计参数。在完成了步骤102至106后，在步骤108中执行轴 承设计分析。
图4示出了步骤108的轴承设计分析的实施方式。在该步骤108 中，这组指令将使计算机接收数据并执行优化地钻钻头轴承部分的计 算。在第一步110中，这组指令使计算机接受系统数据的输入。系统 数据包括轴承部分的机械和热属性，例如材料属性、润滑剂属性和几 何特征。
轴承部分的材料属性可以包括例如选择用来构造钻头部件的材 料的弹性模量、导热系数和热膨胀系数及其它物理属性。在优选实施
方式中，在步骤104中输入的材料属性将在步骤110中使用。可选地， 计算机可读介质将包含在步骤110中所用的常用材料的材料属性库， 并且这组指令将使得能够从该库中选择材料。在这种实施方式中，这 组指令将使与所选材料关联的材料属性被计算机接受。在可选实施方 式中，这组指令将使得计算机能够接受手动输入到计算机中的材料和材料属性。
步骤110中的润滑剂属性可以包括例如所使用润滑剂的粘性参
数、密度参数、导热系数、比热及其它属性。在优选实施方式中，计 算机可读介质将包含常用润滑剂及关联的润滑剂属性的库，并且这组 指令将使得能够从该库中选择润滑剂。在这种实施方式中，这组指令 将使得与所选润滑剂关联的润滑剂属性被计算机接受。在可选实施方 式中，这组指令将使得计算机能够接受手动输入到计算机中的润滑剂 属性。
步骤IIO中的几何数据可以包括例如钻头的直径、钻头的总体长
度、切割表面的类型、轴承的直径、轴承的长度及轴承表面的粗糙度。
在优选实施方式中，这組指令将使计算机接受来自步骤106的定义轴 承布局的设计参数，以在步骤110中使用。可选地，计算机可读介质 将包含标准配置和关联的几何数据的库，并且这组指令将使得能够从 该库中选择配置。在这种实施方式中，这组指令将使与所选配置关联 的几何数据被计算机接受。在可选实施方式中，这组指令将使得计算 机能够接受手动输入到计算机中的用于轴承部分的数据。
在系统数据输入后，这组指令将使计算机在步骤112中构成用于 将来计算的数据库。对于将来的计算，轴颈和轴承的弹性与热弹性影
:关系都是需要的。弹性矩阵提供了施加到轴承的力^位移之间-k
系。热弹性矩阵提供了元件温度上升与由于热膨胀造成的位移之间的 关系。在优选实施方式中，这组指令使弹性和热弹性矩阵根据步骤110 中输入的系统数据生成，而不需要进一步的输入。
半经验粗糙面接触公式涉及粗糙轴承表面之间的物理相互作用。 该半经验粗糙面接触公式用于关联两个匹配表面之间的间隙和接触面 积及接触压力。在优选实施方式中，计算机可读介质将包含标准表面 及与那些标准表面关联的粗糙面接触公式的库，并且这组指令将使得 能够从该库中选择标准表面。在这种实施方式中，这组指令将使得与 所选标准表面关联的适当粗糙面接触公式被计算机接受。在可选实施方式中，这组指令将使得计算机能够接受手动输入到计算机中的用于 轴承表面的粗糙面接触公式。
接下来，这组公式将使计算机接受在处理下一步114中所需的数 据输入。这种数据可以包括每个轴承上的预期负荷、旋转部分的速度、 轴承间隙、轴承表面的表面参数、运行过程中的环境温度分布及轴颈 与轴承中心线之间的失准角。在优选实施方式中，这组指令使得计算 机能够接受来自步骤102的应用参数，例如钻头上的重量、钻头的旋 转速度、岩层的耐压强度及估计的侧部负荷，用于计算作用到每个轴 承上的负荷。这组指令将使计算机根据输入的温度分布计算当前的环 境温度。
这组指令将使得计算机根据测量数据计算统计性表面参数，例如 轴承表面的均方根平均和自相关长度。此外，这组指令还可以使计算 机应用该统计性表面参数来表明轴承表面粗糙度对润滑的影响，或者 可选地，利用如基于有限元的具有实面(with real surface )的计算机 模型的确定性方法来进行润滑分析。该确定性方法可以允许更高的精 度，但需要更多的计算时间。
转向图2，示意性并在很大程度上夸大地示出了轴颈51与锥形轴 承53中心线之间的失准角a。该失准角是制造与组装过程中几何不对 准及轴颈51偏斜的结果。在一种实施方式中，这組指令使计算机根据 步骤102、 104、 106、 IIO和112中输入的信息计算该失准角。更特别 地，这组指令使计算机使用来自步骤102的所估计的钻头上的负荷、 步骤106和110中所提供的轴承布局与几何数据来计算轴颈与轴承中 心线之间的角度失准。
返回图4，在步骤114中，这组指令使计算机接受对偏心率比和 装填角的初始猜想。偏心率是轴承中心线与稳态轴颈中心线之间的偏 离。偏心率比是偏心率与轴承间隙之间的比，并且这组指令可以使计 算机利用来自步骤110的几何数据估计偏心率比。
在下一步116中，这组指令使计算机计算润滑剂粘性和密度。润 滑剂的密度和粘性都可以是温度和压力的函数。在给定温度和压力下
27确定粘性和密度所需的参数是在步骤IIO输入到计算机模型中的。润
滑剂的粘性将直接影响轴颈和推力轴承的负荷能力。在一种实施方式
中，这组指令使计算机通过估计由Bair ( S.Bair, "The High Pressure Rheology of a Soap-thickened Grease" , Tribology Transactions, 37 (1994) 646-650 )提出的经验粘性-温度-压力关系来计算粘性
" ，c2+(r-J
其中下标g代表润滑剂的玻璃转化点，T是温度，d和C2是基 本油系数，而F是基本油参数。
在一种实施方式中，这组指令使计算机假设润滑剂具有等于润滑 剂膜平均粘性的均匀粘性。在可选实施方式中，这组指令使计算机假 设粘性跨润滑剂膜厚度有变化。
这组指令使计算机在下一步118中计算热弹性变形与膜厚度。轴 承和轴颈表面的变形可以表示为弹性和热变形的总和。因为轴承温度 是相对均匀的，所以轴承的热变形可以由以下热膨胀公式表示
(0, AT) = ar A7>(1 + ￡ cos(0 — p))
其中Ar是轴承中的平均温度增加，《,7>的乘积是间隙变化，而 l + "os(0-p)是当给定偏心率比s时在不同圆周位置的调整。c^是轴承
的热变形，而^是热膨胀系数，r是轴承半径，e是圆周坐标，而q)
是轴承或装填角。
这组指令可以使计算机利用由Shi和Wang ( F.H.Shi, Q.Wang， "A mixed-TEHD Model for Journal-Bearing Conformal Contacts — Part I: Model Formulation and Approximation of Heat Transfer Considering Asperity Contact" ， Journal of Tribology, 120 (1998) 198-205 )及Wang等(Q.Wang， F.H.Shi, S.C丄ee， "A mixed-TEHD
Model for Journal-Bearing Conformal Contacts - Part II: Contact, Film Thickness and Performance Analyses" ， Journal of Tribology, 120 (1998) 206-213)描述的影响函数方法来计算轴颈热变形、轴颈弹 性变形及轴承弹性变形。这组指令可以使计算机计算作为以上热变形 公式的结果和通过影响函数方法得到的弹性变形结果的总和的轴承的总变形。这组指令可以使计算机计算作为热和弹性变形的总和的轴颈 的总变形，其中热和弹性变形两者都是利用影响函数方法计算的。总 的膜厚度是两个粗糙表面之间的平均间隙。这组指令可以使计算机计 算作为额定间隙与表面变形的总和的该平均间隙，其中额定间隙包括 轴颈和轴承之间的角度失准。这组指令可以使计算机如下计算总的膜
厚度hT:
<formula>formula see original document page 29</formula>
其中c是平均间隙，e是偏心率，(p是轴承或装填角，oi是失准 角，z是宽度坐标，/是轴承长度，而^和^分别是轴颈与轴承的热弹
性变形。
接下来，在步骤120中这组指令可以使计算机通过求解平均 Reynolds公式来计算流体动力压力，其中Reynolds公式描述了流体 动力压力与润滑剂膜厚度之间的关系
<formula>formula see original document page 29</formula>
其中A和么是压力流因子，而A是剪切流因子。下标B指轴承， R是半径，p是密度，h是柔量，p是压力，e是圆周坐标，z是宽度 坐标，hT是总的膜厚度，U是轴承速度，而o是粗糙度的均方根。在 一种实施方式中，这组指令可以使用Reynolds边界条件来求解这个平 均Reynolds公式。
处理中到目前为止，这组指令还没有提供任何迭代或可选的顺 序。这里，在处理中，由这组指令给出了可选路径。根据流体动力压 力的计算，通过比较从连续的迭代所计算的压力，在步骤122中确定 压力是否收敛。如在这组指令中所指示的，当连续的迭代的值在给定 容差之内时，认为该压力收敛了。这组指令可以将该容差设置成例如 在10-5到10"内。如果压力收敛，则计算机模型继续到步骤124。在 一种实施方式中，如果在步骤122中初始压力和流体动力压力不在选 定的容差之内，则这组指令前进到步骤123，在那里这组指令引入或 调整松弛因子，然后这组指令返回步骤120，在那里这组指令使计算机重新计算流体动力压力。松弛因子是用于帮助使发散或緩慢收敛的 迭代处理收敛的值。可选地，这组指令可以使输入^C修改。这组指令
可以要求步骤120至123根据需要重复很多次，以使得压力收敛在选 定容差内。
如果在步骤122中压力收敛，则这组指令继续到步骤124并使计 算机计算粗糙面接触压力。粗糙面相互作用是混合润滑中的一个主要 特征，其中粗糙面分担施加到轴承的一部分正常负荷。半经验粗糙面
系。该平均间隙是计算粗糙面接触负荷所需的。为此可以由这组指令 使用的一种这样的粗糙表面接触模型是由Lee和Ren ( S.C丄ee， N.Ren ，" Behavior of Elastic-Plastic Rough Surface Contacts as Affected by the Surface Topography, Load and Materials" ， Tribology Transactions, 39(1996)67-74)开发的。
但是，如果计算机确定在轴承表面之间没有物理接触，则不需要 步骤124。这组指令可以要求计算机使用膜厚度相对于均方根粗糙度 的比率来确定什么时候需要步骤124。在优选实施方式中，如果计算 机确定膜厚度相对于均方根粗糙度的比小于3，则计算机可以假设轴 承表面之间有物理接触，并应当执行步骤124。其它公式或因子也可 以由这組指令和计算机用于确定是否需要步骤124。
在下一步126中，这组指令使计算机计算总的力。总的力是在轴 承表面上流体动力压力和粗糙面接触压力的结合的总和。在下一步 128中，这组指令使计算机确定力是否平衡。为了确定力是否平衡， 这组指令使计算机将轴承表面上的流体动力压力和粗糙面接触压力结 合并与先前相同计算的迭代比较。如果在步骤128中计算机确定力不 平衡，则这组指令前进到步骤116,在步骤116中对所计算的粘性进 行调整，并且可以根据需要重复步骤116至128多次，直到在步骤128 中计算机确定力收敛。
一旦在步骤128中计算机确定力收敛，则这组指令就移动到步骤 130，在那里这组指令使计算机计算装填角。装填角是总的力的垂直与水平分量之间的角度。装填角可以通过确定总的力的矢量分量来计算。
在下一步132中，这组指令使计算机确定装填角是否收敛。这是通过 使计算机比较步骤114中所估计的装填角与步骤130中计算的装填角 来实现的。如果装填角没有收敛到给定容差内，则这組指令继续到步 骤134,在那里这组指令使计算机调整装填角。然后，这组指令返回 步骤116，并且重复步骤116至132，直到装填角收敛到给定容差内。
如果装填角收敛，则过程继续到步骤136，在那里这组指令使计 算机确定负荷是否收敛。这是通过由计算机比较步骤126中计算的力 与步骤114中作为输入数据提供的负荷来实现的。如果计算机确定负 荷的差不在给定容差内，则这组指令继续到步骤138，在那里这组指 令使计算机调整偏心率比。然后，这组指令返回步骤116，并且重复 步骤116至136,直到计算机确定负荷的差在给定容差内。
如果计算机确定负荷的差在给定容差内，则这组指令继续在步骤 140中使计算机求解温度。这组指令使计算机使用能量公式来计算在 轴承中产生的热量。热可能通过润滑剂与固体表面的相互作用、润滑 剂本身及通过接触摩擦而产生。
接下来，这组指令使计算机在步骤142中确定温度是否收敛。这 是通过利用所计算的热传送而平衡在步骤140中确定的热生成来确定 的。在优选实施方式中，如果计算机确定产生和传送的热量不平衡， 则这组指令返回步骤116。在重复步骤116至142之前，装填角或偏 心率或其它输入可以由计算机修改，直到温度收敛。这完成了轴承设 计分析的第一次迭代。
轴承设计分析的可选指令集在图5中示出。步骤110至134与第 一实施方式中的相同。但是，在步骤132中计算机确定装填角收敛之 后，计算机接下来在步骤236中求解温度。这组指令使计算机使用能 量公式来计算由轴承产生的热量。热可能通过润滑剂与固体表面的相 互作用、润滑剂本身及通过接触摩擦而产生。接下来，这组指令使计 算机在步骤238中确定温度是否收敛。这是由计算机通过比较在连续 的迭代中所计算的温度来实现的。在优选实施方式中，如果计算机确定温度差在预设的容差内，则这组指令返回步骤116。在重复步骤116 至132和236至238之前，这组指令可以使计算机修改装填角或偏心 率或其它输入，直到温度收敛。
如果计算机确定产生和传送的热量平衡，则这组指令继续到步骤 240，在那里通过比较在步骤126中所计算的力和在步骤114中作为输 入数据提供的负荷，计算机确定负荷是否收敛。如果计算机确定负荷 的差不在给定的容差内，则这组指令继续到步骤242，在那里调整偏 心率比。然后，这组指令返回步骤116，并且重复步骤116至132及 236至240，直到计算机确定负荷的差在给定容差内。如果负荷收敛， 则完成了轴承设计分析过程中的第 一次迭代。
轴承设计分析的另一种可选过程在图6中示出。步骤110和112 与前面两种实施方式中的相同。但是，不要求在步骤314中输入负荷， 相反，这组指令要求提供偏心率比。这组指令接下来将使计算机接受 在处理的下一步骤314中所要求的数据输入。这种数据可以包括所预 期的每个轴承上的负荷、旋转部分的速度、轴承间隙、轴承表面的表 面参数、运行过程中的环境温度分布及轴颈与轴承的中心线之间的失 准角。在优选实施方式中，这组指令使得计算机能够接受来自步骤102 的应用参数，例如钻头上的重量、钻头的旋转速度、岩层的耐压强度、 以及所估计的侧部负荷，所述应用参数用于计算作用到每个轴承上的 负荷。这组指令将使计算机根据输入的温度分布计算当前的环境温度。
这组指令可以使计算机确定性地或者统计性地计算轴承表面的 表面参数。统计性参数可能是这组指令处理轴承表面粗糙度对润滑的 影响所要求的。可选地，确定性方法，例如基于有限元的针对局部浓 缩的模型，可能是这组指令进行润滑分析所要求的。该确定性方法可 以允许更大的精度，但要求更多的计算时间。
转向图2，示意性并在很大程度上夸大地示出了轴颈51与锥形轴 承53的角度失准a。该失准角a是制造与组装过程中几何不对准及轴 颈51偏斜的结果。在优选实施方式中，该失准角不是作为特定数值输 入的，而是由计算机模型根据步骤102、 104、 106、 110和112中提供的信息计算的。更特别地，来自步骤102的所估计的钻头上的负荷、 步骤106和110中所提供的轴承布局与几何数据、步骤104和110的 材料属性及来自步骤112的变形关系可以用于计算轴颈与轴承之间的 角度失准。回到图6，这组指令使计算机接受对偏心率比和装填角的 初始猜测的输入。
在下一步中，在步骤316中这组指令使计算机计算润滑剂粘性和 密度。润滑剂的密度和粘性都可以是温度和压力的函数。在给定温度 和压力下确定粘性和密度所需的参数是在步骤310输入到计算机中 的。润滑剂的粘性将直接影响轴颈和推力轴承的负荷能力。在一种实 施方式中，粘性是由计算机利用由Bair ( S.Bair， "The High Pressure Rheology of a Soap-thickened Grease" ,Tribology Transactions, 37
(1994) 646-650 )提出的经验粘性-温度-压力关系计算的
,-2.3C,(r-r )f、
//=//p exp -
""、c2+(r-r》尸乂
其中下标g代表润滑剂的玻璃转化点，T是温度，d和C2是基 本油系数，而F是基本油参数。
在一种实施方式中，这组指令使计算机假设润滑剂具有等于润滑 剂膜的平均粘性的均匀粘性。在可选实施方式中，这组指令使计算机 假设粘性跨润滑剂膜的厚度变化。
这组指令使计算机在下一步318中计算热弹性变形与膜厚度。轴 承和轴颈表面的变形可以由计算机计算为弹性和热变形的总和。因为 轴承温度是相对均匀的，所以轴承的热变形可以由计算机利用以下热 膨胀公式表示
c sr (《厶r) = ar A7>(1 + ￡ cos(P - p))
其中Ar是轴承中的平均温度增加，《一7>的乘积是间隙变化，而 l + "os(^-p)是当给定偏心率比f时在不同圆周位置的调整。^V是轴承 的热变形，而&是热膨胀系数，r是轴承半径，e是圆周坐标，而(p
是轴承或装填角。
这组指令可以使计算机利用由Shi和Wang ( F.H.Shi， Q.Wang, "A mixed-TEHD Model for Journal-Bearing Conformal Contacts —Part I: Model Formulation and Approximation of Heat Transfer Considering Asperity Contact" ， Journal of Tribology， 120 (1998) 198-205 )及Wang等(Q.Wang， F.H.Shi， S.C.Lee, "A mixed漏TEHD
Model for Journal-Bearing Conformal Contacts — Part II: Contact, Film Thickness and Performance Analyses" , Journal of Tribology, 120 (1998) 206-213)描述的影响函数方法计算轴颈热变形、轴颈弹性 变形及轴承弹性变形。轴承的总变形由计算机计算为以上热变形公式 的结果和通过影响函数方法得到的弹性变形结果的总和。轴颈的总变 形由计算机计算为热变形和弹性变形的总和，这两者都是利用影响函 数方法计算的。
总的膜厚度是两个粗糙表面之间的平均间隙。这组指令将使计算 机将平均间隙计算为额定间隙与表面热弹性变形的总和，其中额定间 隙包括轴颈和轴承之间的角度失准。这组指令将使计算机如下计算总 的膜厚度hT:
f /、
Ar = c + e cos(夕一+ a z——cos(6 —+ <^ + <5fl
、
其中c是平均间隙，e是偏心率，cp是轴承或装填角，a是失准 角，z是宽度坐标，/是轴承长度，而&和&分别是轴颈与轴承表面的
热弹性变形。
接下来，在步骤320中，这组指令将使计算机通过求解平均 Reynolds公式来计算流体动力压力，其中Reynolds公式描述了流体 动力压力与润滑剂膜厚度之间的关系
3
"77 i 卢
3 + 一
6^7
械
其中A和A是压力流因子，而A是剪切流因子。下标B指轴承， R是半径，p是密度，h是柔量，p是压力，e是圆周坐标，z是宽度
坐标，hT是总的膜厚度，U是轴承速度，而O是粗糙度的均方根。在
一种实施方式中，Reynolds边界条件可被计算机用于解这个平均 Reynolds公式。
处理中到目前为止，还没有给出迭代或可选的顺序。这里，在处理中，由这组指令给出可选路径。根据流体动力压力的计算，这組指
令使计算机在步骤322中确定压力是否已经收敛。这是通过由计算机 比较根据连续的迭代所计算的压力来实现的。当连续的迭代的值在给 定容差之内时，认为该压力已经收敛。由这组指令指定的容差可以例 如在l(T5到l(T6中。如果计算机确定压力收敛，则这组指令继续到步 骤324。在一种实施方式中，如果在连续的迭代中由计算机所计算的 流体动力压力的差不在步骤322中的预定容差之内，则这组指令前进 到步骤323，在那里这组指令使计算机调整或引入松弛因子，并且这 组指令返回步骤320，在那里重新计算流体动力压力。松弛因子是用 于帮助使发散或緩慢收敛的迭代处理收敛的值，是在计算机代码中预 定的。可选地，其它输入也可以由计算机修改。可以根据需要重复步 骤320至323多次，以使压力收敛在选定容差内。
如果在步骤322中压力收敛，则这組指令继续到步骤324，并且 计算机计算粗糙面接触压力。粗糙面相互作用是混合润滑中的 一个主 要特征，其中接触的粗糙面分担一部分施加到轴承上的正常负荷。半
均间隙之间的关系。该平均间隙是计算粗糙面接触负荷所需的。为此 这组指令可以使用的一种这样的粗糙表面接触模型是由Lee和Ren (S.C丄ee ， N.Ren ， " Behavior of Elastic-Plastic Rough Surface Contacts as Affected by the Surface Topography, Load and Materials" ， Tribology Transactions, 39(1996)67-74)开发的。
但是，如果计算机确定在轴承表面之间没有物理接触，则不需要 步骤324。膜厚度相对于均方根粗糙度的比率可被这组指令和计算机 用于确定什么时候需要步骤324。在优选实施方式中，如果计算机确 定膜厚度相对于均方根粗糙度的比小于3，则可以假设轴承表面之间 有物理接触，并且计算机应当执行步骤324。其它公式或因子也可以 被这组指令用于确定是否需要步骤324。
在下一步326中，这组指令使计算机计算总的力。总的力是轴承 表面上流体动力压力和粗糙面接触压力结合的总和。在下一步328中，这组指令使计算机询问力是否收敛。为了确定 力是否收敛，计算机在轴承表面上结合流体动力压力和粗糙面接触压 力，并将此结果与先前迭代进行比较。如果在步骤328中计算机确定 力不收敛，则这组指令前进到步骤316，由计算机对油脂粘性和密度 进行调整，而且可以根据需要重复步骤316至328多次，直到在步骤 328中力收敛。
一旦在步骤328中力收敛，则这组指令就移动到步骤330，在那 里这组指令使计算机计算装填角。装填角是总的力的垂直与水平分量 之间的角度。装填角可以由计算机通过确定总的力的矢量分量来计算。 如果装填角不收敛，则这组指令继续到步骤334，在那里由计算机调 整装填角。然后，这组指令机返回步骤316,并且由计算机重复步骤 316至332，直到装填角收敛到给定容差内。
如果装填角收敛到容差内，则这组指令继续到步骤336,在那里 这组指令使计算机计算温度。计算机使用能量公式来计算在轴承中产 生的热。热可能通过润滑剂与固体表面的相互作用、润滑剂本身及通 过接触摩擦而产生。在下一步338中，这组指令使计算机确定温度是 否收敛。这是由计算机通过比较连续的迭代中所计算的温度实现的。 在优选实施方式中，如果温度差在预设的容差内，则这组指令返回步 骤316。在重复步骤316至338之前，装填角或偏心率比或其它输入 可以由计算机修改，直到温度收敛。这完成了过程中轴承设计分析部 分的第一次迭代。
返回图3，在下一步146中，这组指令使计算机确定是否有足够 的负荷支撑。来自步骤108的结果被计算机用于在步骤146中确定对 于所施加的重量和负荷，是否有足够的负荷支撑。如果计算机确定负 荷可以在设计参数内支撑，则这组指令移动到步骤148。
如果没有足够的负荷支撑，则这组指令移动到步骤150，并且这 组指令将使计算机将例如紋理表面的表面特征应用到一个或多个轴承 表面。紋理表面可以提供附加的提升力。将应用表面紋理的表面可以 是合金钢，例如包含0.15%C、 0.8%Mn、 0.55%Cr、 0.85%Ni或0.25%Mo或者其它类似材料的合金钢。
通过在刀具31 (图1)的旋转过程中保留一些润滑，紋理表面将 增强润滑。具有紋理表面可以在滑动表面之间提供比使用平滑表面的 地钻现有技术更低的滑动摩擦系数。此外，具有紋理表面可以降低工 作温度，由此减少热疲劳裂缝集结。根据最近的调查研究工作，紋理 表面具有减少在启动和停止状态下所产生的损坏的益处。它既充当润 滑剂储藏器，来帮助润滑表面，又充当阻尼器，吸收冲击负荷。表面 紋理可以采取平行凹槽，不同形状、大小和深度凹痕阵列及不同形状、 大小和高度微粗糙体的形式。
返回图l，轴承套筒41具有对应于内嵌物27的轴承面57的轴承 面55。紋理表面可以净皮计算机应用到轴承面55或57中的至少一个， 而且也可以被计算机应用到内嵌物21和23、推力肩37及推力垫圏39。
在一种实施方式中，在计算机添加紋理后，如由步骤152所指示 的，如果只对步骤150迭代例如3次或更少，则这组指令返回步骤108 并重复步骤110至146。可选地，如果已经对步骤150迭代超过3次， 则这组指令移动到步骤154并由计算机改变轴承尺寸。在一种实施方 式中，如由步骤156所指示的，如果已经对步骤154迭代超过2次， 则这组指令返回步骤104并重复步骤104至146。如果对步骤154迭 代例如2次或者更少，则这组指令返回步骤106并重复步骤106至146。 在可选实施方式中，各种次数的迭代可以使这组指令采取可选的步骤 或者计算机可以改变下一次迭代的尺度。
在步骤146中计算机确定有足够的负荷支撑后，这组指令使计算 机在步骤158中显示设计优化的结果并推荐制造钻头的处理。在一种 实施方式中，这组指令使结果传送到计算机辅助制造系统，并且由步 骤160制造钻头。
在附图与说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施方式，尽 管采用了特定的术语，但这些术语仅仅是为了描述的目的，而不是为 了限制的目的。具体参考所说明的这些实施方式对本发明进行了相当 具体地描述。但是，很显然在如前面说明书中所述和所附权利要求中 所描述的本发明主旨与范围内，可以进行各种修改与变化。
权利要求
1、一种设计地钻钻头的方法，包括以下步骤(a)将用于多个地钻钻头的初始设计参数输入到计算机中；(b)选择用于钻头中轴承的模板设计；(c)调整设计参数；及(d)重复步骤(b)和(c)，直到地钻钻头可以最优地支撑预选的设计负荷。
2、 如权利要求l所述的方法，其中步骤(b)包括以下步骤:(i) 将系统数据输入到计算机中；(ii) 计算轴承中的流体动力压力和粗糙面接触压力；(iii) 确定轴承中的力和力矩是否平衡；(iv) 如果轴承中的力或力矩不平衡，则调整系统数据；及(v) 重复步骤(ii)至(iv),直到轴承产生的热平衡了传入和 传出轴承系统的热。
3、 如权利要求2所述的方法，其中步骤(iii)还包括确定装填 角是否收敛的步骤。
4、 如权利要求3所述的方法，其中步骤(iv)包括调整装填角。
5、 如权利要求2所述的方法，其中步骤(iv)包括调整轴承的 偏心率比。
6、 如权利要求2所述的方法，其中步骤(iv)包括修改轴承中 的润滑剂膜厚度。
7、 如权利要求l所述的方法，其中步骤(c)还包括向轴承表面 添加表面紋理的步骤。
8、 如权利要求7所述的方法，还包括使用数字模型来评估和确 定添加到轴承表面的表面紋理的^殳计。
9、 一种设计用于地钻钻头的轴承的方法，包括以下步骤(a) 将用于多个轴承的轴承系统数据输入到计算机中；(b) 计算轴承中的流体动力压力和粗糙面接触压力；(c) 确定轴承中的力和装填角是否收敛；(d) 如果轴承中的力或装填角不收敛，则调整系统数据；及(e) 重复步骤(b)至(d)，直到由轴承产生的热平衡了传入 和传出轴承系统的热。
10、 如权利要求9所述的方法，其中步骤(b)包括以下步骤计算油脂粘性和油脂密度；计算轴承和轴颈的热弹性与弹性变形；计算轴承中的润滑剂膜厚度；及计算跨轴承表面的流体动力压力分布；计算跨轴承表面的粗糙面接触压力。
11、 如权利要求9所述的方法，其中步骤(c)还包括调整装填 角直到装填角收敛的步骤。
12、 如权利要求9所述的方法，其中步骤(c)还包括调整偏心 率比直到力收敛的步骤。
13、 如权利要求9所述的方法，其中步骤(d)包括调整轴承中 的润滑剂膜厚度，直到实现温度收敛。
14、 一种设计用于地钻钻头的轴承的方法，包括以下步骤(a) 将用于一个或多个轴承的轴承系统数据输入到计算机中；(b) 计算轴承中的流体动力压力和粗糙面接触压力；(c) 确定轴承中的力、温度和装填角是否收敛；(d) 如果轴承中的力、温度或装填角不收敛，则调整系统数据；及(e) 重复步骤(b)至(d)，直到计算出的力平衡了所选的系 统数据负荷。
15、 如权利要求14所述的方法，其中步骤(b)包括以下步骤计算油脂粘性和油脂密度； 计算轴承和轴颈的热弹性与弹性变形； 计算轴承中的润滑剂膜厚度； 计算跨轴承表面的流体动力压力分布；及 计算跨轴承表面的粗糙面接触压力。
16、 如权利要求14所述的方法，其中步骤(c)还包括调整装填角直到装填角收敛的步骤。
17、 如权利要求14所述的方法，其中步骤(d)包括调整偏心率 比直到计算出的力基本上等于给定负荷的步骤。
18、 一种设计用于地钻钻头的轴承的方法，包括步骤 U)将用于多个轴承的轴承系统数据输入到计算机中；(b) 计算轴承中的流体动力压力和粗糙面接触压力；(c) 确定力是否平衡及轴承中的装填角和温度是否收敛；(d) 如果力不平衡或者如果轴承中的装填角和温度不收敛，则 调整系统数据；及(e) 重复步骤(b)至(d),直到获得最小膜厚度。
19、 如权利要求18所述的方法，其中步骤(b)包括以下步骤 计算油脂粘性和油脂密度；计算轴承和轴颈的热弹性与弹性变形； 计算轴承中的润滑剂膜厚度； 计算跨轴承表面的流体动力压力分布；及 计算跨轴承表面的粗糙面接触压力。
20、 如权利要求18所述的方法，其中步骤(c)还包括调整装填 角直到装填角收敛的步骤。
21、 如权利要求18所述的方法，其中步骤(d)包括增加偏心率 比，直到获得最小膜厚度。
22、 一种可以由计算才几读取以优化地钻钻头i殳计的计算机可读介 质，该计算机可读介质包括一组指令，当该組指令被计算机执行时， 使计算机执行以下操作U)接收用于钻头中轴承的初始轴承设计参数；(b) 接收用于钻头中轴承的模板设计；(c) 调整设计参数；及(d) 重复步骤(b)至(c)，直到地钻钻头可以最优地支撑设 计负荷。
23、 如权利要求22所述的计算机可读介质，其中步骤(b)还包括一组指令，当该组指令被计算机执行时，使计算机执行以下操作(i) 接收系统数据作为输入；(ii) 计算轴承内的流体动力压力和粗糙面接触压力；(iii) 确定轴承内的力和力矩是否平衡；(iv) 调整系统数据；及(v) 重复步骤(ii)至(iv)，直到由轴承产生的热平衡了传入 和传出轴承系统的热。
24、 如权利要求23所述的计算机可读介质，其中确定轴承中力 和力矩是否平衡的操作包括确定装填角是否收敛。
25、 如权利要求24所述的计算机可读介质，其中调整系统数据 的操作包括调整装填角。
26、 如权利要求23所述的计算机可读介质，其中调整系统数据 的操作包括调整轴承的偏心率比。
27、 如权利要求23所述的计算机可读介质，其中调整系统数据 的操作包括修改轴承中的润滑剂膜厚度。
28、 如权利要求22所述的计算机可读介质，其中调整设计参数 的操作包括向轴承表面添加表面紋理。
29、 如权利要求28所述的计算机可读介质，其中这组指令还包 括执行以下操作的指令，即利用数字模型来评估和确定添加到轴承表 面的表面紋理的i殳计。
30、 一种可以由计算机读取，以便优化地钻钻头的轴承设计的计 算机可读介质，该计算机可读介质包括一组指令，当该组指令被计算 机执行时，使计算机执行以下操作(a) 接收用于一个或多个轴承的轴承系统数据作为输入；(b) 计算轴承中的流体动力压力和粗糙面接触压力；(c) 确定轴承中的力和力矩是否平衡；(d) 如果轴承中的力和力矩不平衡，则调整系统数据；及(e) 重复步骤(b)至(d)，直到由轴承产生的热平衡了传入 和传出轴承系统的热。
31、 如权利要求30所述的计算机可读介质，其中计算轴承中的 流体动力压力和粗糙面接触压力的操作包括以下操作计算油脂粘性和油脂密度； 计算轴承和轴颈的热弹性与弹性变形； 计算轴承中的润滑剂膜厚度；及 计算跨轴承表面的流体动力压力分布； 计算跨轴承表面的粗糙面接触压力。
32、 如权利要求30所述的计算机可读介质，其中确定轴承中的 力和力矩是否平衡的操作包括调整装填角，直到装填角收敛。
33、 如权利要求30所述的计算机可读介质，其中确定轴承中的 力和力矩是否平衡的操作包括调整偏心率比，直到力收敛。
34、 如权利要求30所述的计算机可读介质，其中调整系统数据 的操作包括调整轴承中的润滑剂膜厚度，直到实现温度的收敛。
35、 一种可以由计算机读取，以便优化地钻钻头的轴承设计的计 算机可读介质，该计算机可读介质包括一组指令，当该组指令被计算 机执行时，使计算机执行以下操作(a) 接收用于一个或多个轴承的轴承系统数据作为输入；(b) 计算轴承中的流体动力压力和粗糙面接触压力；(c) 确定轴承中的力、温度和装填角是否收敛；(d) 如果轴承中的力、温度或装填角不收敛，则调整系统数据；及(e) 重复步骤(b)至(d)，直到所计算出的力平衡了所选的 系统数据负荷。
36、 如权利要求35所述的计算机可读介质，其中计算轴承中的 流体动力压力和粗糙面接触压力的操作包括以下操作计算油脂粘性和油脂密度； 计算轴承和轴颈的热弹性与弹性变形； 计算轴承中的润滑剂膜厚度；及 计算跨轴承表面的流体动力压力分布；计算跨轴承表面的粗糙面接触压力。
37、 如权利要求35所述的计算机可读介质，其中确定轴承中的 力、温度和装填角是否收敛的操作包括调整装填角，直到装填角收敛。
38、 如权利要求35所述的计算机可读介质，其中调整系统数据 的操作包括调整偏心率比，直到所计算出的力基本上等于给定的负荷。
39、 一种可以由计算机读取，以便优化地钻钻头的轴承设计的计 算机可读介质，该计算机可读介质包括一组指令，当该组指令被计算 机执行时，使计算机执行以下操作U)接收用于一个或多个轴承的轴承系统数据作为输入；(b) 计算轴承中的流体动力压力和粗糙面接触压力；(c) 确定力是否平衡及轴承中的装填角和温度是否收敛；(d) 如果力不平衡或者如果轴承中的装填角或温度不收敛，则 调整系统数据；及(e) 重复步骤(b)至(d)，直到获得最小膜厚度。
40、 如权利要求39所述的计算机可读介质，其中计算轴承中的 流体动力压力和粗糙面接触压力的操作包括以下操作计算油脂粘性和油脂密度； 计算轴承和轴颈的热弹性与弹性变形； 计算轴承中的润滑剂膜厚度； 计算跨轴承表面的流体动力压力分布；及 计算跨轴承表面的粗糙面接触压力。
41、 如权利要求39所述的计算机可读介质，其中确定力是否平 衡及轴承中的装填角和温度是否收敛的操作包括调整装填角，直到装 填角收敛。
42、 如权利要求39所述的计算机可读介质，其中调整系统数据 的操作包括增加偏心率比，直到获得最小膜厚度。
全文摘要
一种稳态混合热弹流体动力学计算机模型用于设计地钻钻头，尤其是用于优化地钻钻头(11)中轴颈和推力轴承(41)的设计。该模型结合了轴承表面的纹理、粗糙面接触、表面热弹性变形、润滑剂的温度-压力-粘性关系及轴颈与轴承之间的角度失准。
文档编号E21B10/08GK101622420SQ200780050615
公开日2010年1月6日 申请日期2007年12月17日 优先权日2006年12月20日
发明者峙 林, 汪岩松 申请人:贝克休斯公司