一种全尺寸织构化钻头滑动轴承实验装置及测试方法与流程

本发明涉及井下工具摩擦学领域，特别是一种全尺寸织构化滑动轴承实验装置及测试方法。
背景技术：
：牙轮钻头作为主要的破岩工具，其工作性能成为了影响钻井质量和效率的关键因素，而滑动轴承作为牙轮钻头传递扭矩和运动形式的桥梁，其使用寿命是牙轮钻头使用的薄弱环节，提高轴承的摩擦学性能也成为了提高牙轮钻头工作性能的关键。牙轮钻头滑动轴承在工作环境下主要是从边界润滑到复合润滑的润滑状态，因此牙轮钻头滑动轴承的失效形式主要是黏着磨损。针对牙轮钻头特殊的结构及工作环境，在原有钻头滑动轴承基础上对其结构进行改进以提高牙轮钻头滑动轴承的使用寿命是非常困难的。研究发现表面织构具有润滑减磨的效果，但目前在牙轮钻头工况下对钻头滑动轴承影响的机理并不清楚，因此有必要通过相似实验的方法研究表面织构及其几何参数对钻头滑动轴承摩擦性能的影响，进而找到工况下润滑减磨效果较好的表面织构参数。技术实现要素：本发明的目的在于：针对牙轮钻头滑动轴承的主要失效形式（黏着磨损）及表面织构所具有的润滑减磨效果，提供一种全尺寸织构化钻头滑动轴承的实验装置及测试方法，用于分析牙轮钻头模拟工况下，全尺寸织构化牙轮钻头滑动轴承的摩擦学性能，进而得到在不同环境下的最优表面织构几何参数。本发明的目的通过下述技术方案实现：一种全尺寸织构化钻头滑动轴承实验装置，包括旋转系统、加载机构、加热装置、润滑脂供给装置、数据采集系统及计算机、机架、滑动轴承轴颈和轴套试样，所述旋转系统包括变频电机、联轴器、旋转轴及主轴箱，所述加载机构包括油泵、液压缸及径向加载机构，所述加热装置包括加热圈，所述数据采集系统及计算机包括转速传感器、力传感器、扭矩传感器、铂电阻温度传感器、数据采集卡和计算机。所述的滑动轴承轴颈和轴套试样材料分别为20cr4mo和20crnimo，根据动压轴承相似准则其中为量纲化后的油膜厚度，为量纲化后的油膜压力，为滑动轴承轴颈的半径，为滑动轴承沿轴线方向的长度，为滑动轴承沿轴向的量纲化长度，为轴承沿轴向的坐标，为润滑介质粘度，为滑动轴承的油膜厚度，为参考压力，此处为，为轴承油膜的负载，为油膜轴承的公称直径滑动轴承试样与牙轮钻头滑动轴承必须满足力学相似表1牙轮钻头滑动轴承几何参数轴套直径d/m轴颈直径d/m轴承宽径比b/d离心率0.05217160.0520.340.8所述的滑动轴承轴颈和轴套试样可在轴颈外表面或轴套内表面加工有不同几何参数的表面织构，分析表面织构对滑动轴承摩擦性能的影响。所述的滑动轴承轴颈内孔加工成一定的锥度，可用拧紧螺母使得轴颈与主轴形成过盈连接，轴套利用紧定销钉与夹具形成固定连接，而夹具与整个实验装置保持相对静止，保证了实验过程中滑动轴承轴颈和轴套间相对转速的要求。所述的滑动轴承试样在轴套上加工有圆孔，用于实验时向滑动轴承轴颈和轴套接触表面加入润滑介质。所述的滑动轴承轴颈与轴套的相对转速和轴颈与轴套表面的接触力根据动压轴承相似准则，应有相同的索默菲尔德数，即其中：、为动压轴承1和2的转速，为相对间隙或间隙比。所述的旋转系统为变频电机通过联轴器带动主轴旋转，主轴经主轴箱最后带动滑动轴承轴颈旋转表2牙轮钻头实际工况钻压/t转速/rpm温度/1.5-13.560-240100-150表3牙轮钻头钻压与牙轮钻头滑动轴承径向载荷间的关系钻压/t轴承径向载荷/kn1.54.19616.78925.1610.529.361233.5513.537.74所述加载机构的油泵由电机带动不断向液压缸泵入或抽出液压油带动活塞杆运动，由活塞杆推动径向加载机构运动，进而向滑动轴承试样接触表面加载所需的力，加载或卸载的速度可通过控制油泵进出液压油的流量来得到。所述的加热装置加热圈固定在滑动轴承轴套夹具上，用于加热滑动轴承轴颈和轴套试样以及相应的润滑介质，加热圈的功率可由夹具材料比热容和质量、滑动轴承轴颈和轴套试样材料比热容、和质量、、润滑介质比热容和质量、所需的加热温度δt以及加热时间确定，即：润滑脂的质量为滑动轴承轴颈与轴套试样间润滑脂的量，即：。所述的润滑脂供给装置通过微型电机带动螺杆、活塞运动，继而向滑动轴承试样接触表面挤入润滑脂，润滑介质的供给流量可通过滑动轴承轴颈外径和轴套内径以及润滑介质流出滑动轴承轴颈和轴套速率得到，即：。所述的数据采集系统及计算机通过转速传感器、扭矩传感器、铂电阻温度传感器、力传感器分别测量出主轴的转速、主轴的扭矩，滑动轴承试样的温度及实验时所加载的力的大小，并将测量的数据传入计算机系统并时刻显示，摩擦系数的值由扭矩传感器测量得到的主轴扭矩经计算机系统的内置公式计算后得到。此外计算机可用于控制实验所需加载力的大小，实验的温度以及滑动轴承摩擦磨损实验的时间，转速，加载力和扭矩具有保护功能，防止实验时转速、实验加载力及摩擦扭矩过大，损坏实验装置。所述的全尺寸织构化钻头滑动轴承实验测试方法，它包括以下步骤：s1、预热：实验前先启动实验装置，使得实验装置在零负载情况下预热20min；s2、试样实验前质量的测量：将实验前经清洗和烘干后的滑动轴承轴颈和轴套试样的质量用电子天平测量得到；s3、安装钻头滑动轴承试样：将已加工好的滑动轴承试样轴颈通过一定锥度的通孔与主轴箱的旋转轴形成过盈配合，拧紧螺母，保证过盈连接的可靠性；将滑动轴承轴套通过紧定销钉与轴套夹具形成固定连接，最后将夹具安装于机架上，使滑动轴承轴颈外表面与轴套内表面接触；s4、设定实验参数：通过计算机设定实验时变频电机转速、加载机构加载力的大小、实验时滑动轴承试样的温度；其中加载力经油泵供入液压油推动活塞运动，经径向加载机构将力加在滑动轴承试样上，温度由加热圈加热一段时间达到预设定的值；s5、摩擦磨损实验：先打开润滑脂供给装置，向滑动轴承轴颈和轴套接触表面挤入润滑脂，启动变频电机带动联轴器，主轴和主轴箱带动滑动轴承轴颈旋转，即可开启摩擦磨损实验，实验进行3h，每隔1s记录一个实验过程中的数据；s6、实验后处理：实验结束后由计算机系统导出实验过程中的摩擦系数，将实验后的试样经清洗和烘干后由电子天平测量得到其质量，与实验前滑动轴承轴颈和轴套的质量差、即为实验过程中滑动轴承轴颈和轴套试样的磨损量，摩擦磨损实验后滑动轴承轴颈和轴套试样的表面形貌可通过扫描显微镜观察得到；s7、重复s2~s6，得到多组相同实验工况或相同几何参数表面织构下的滑动轴承摩擦磨损实验数据，减小或消除实验误差；s8、改变滑动轴承轴颈和轴套试样（即改变滑动轴承轴颈表面织构的几何参数）或实验工况（加载力、电机转速、实验温度）重复s2~s7，得到多组不同实验工况下或不同几何参数表面织构的摩擦磨损实验数据；s9、对比不同工况及不同表面织构下得到的实验数据，分析表面织构对不同工况下滑动轴承摩擦磨损的影响，得到对应不同工况下的最优表面织构。本发明具有以下优点:（1）本发明可模拟牙轮钻头滑动轴承的实际工况，研究不同工况下，不同几何参数的表面织构对滑动轴承摩擦性能的影响，选出对应工况下的最优表面织构。（2）本发明结构紧凑操作简单、方便，消耗的人力、物力少，节约实验的成本，得到的实验数据较准确。附图说明图1是本发明结构示意图；图2是润滑脂供给装置示意图；图3是牙轮钻头滑动轴承试样截面图；图4是表面织构在滑动轴承上的分布示意图；图5是表面织构在滑动轴承上分布的展开示意图；图中，1-计算机，2-数据采集卡，3-变频电机，4-转速传感器，5-联轴器，6-扭矩传感器，7-主轴箱，8-润滑脂供给装置，9-加热圈，10-轴套夹具，11-滑动轴承试样，12-拧紧螺母，13-铂电阻温度传感器，14-润滑脂收集箱，15-力传感器，16-机架，17-径向加载机构，18-液压缸，19-油泵，20-微型电机，21-润滑脂存储罐，22-活塞，23-螺杆，24-轴颈，25-输油孔，26-轴套，27-定位销钉孔，28-表面织构。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：如图1~5所示，一种全尺寸织构化钻头滑动轴承实验装置，它包括计算机1，数据采集卡2，变频电机3，转速传感器4，联轴器5，扭矩传感器6，主轴箱7，润滑脂供给装置8，加热圈9，轴套夹具10，滑动轴承试样11，拧紧螺母12，铂电阻温度传感器13，润滑脂收集箱14，力传感器15，机架16，径向加载机构17，液压缸18，油泵19，所述的滑动轴承试样11由轴颈24和轴套26组成，所述的转速传感器4为电涡流传感器，固定在机架16上，所述的滑动轴承轴颈11内孔为锥形，用紧定螺母12与旋转轴形成过盈连接，所述的滑动轴承轴颈24外表面、或轴套26内表面、或轴颈24外表面和轴套26内表面加工有不同几何参数的表面织构28，所述的滑动轴承轴套26上有输油孔25，润滑脂供给装置8经输油管和输油孔25向滑动轴承轴套26和轴颈24间隙内添加润滑脂，所述的润滑脂供给装置8由微型电机20、润滑脂存储罐21、活塞22和螺杆23组成，安装在机架16上，所述的滑动轴承轴套26上的销钉孔27用销钉与轴套夹具10形成固定配合，所述的加热圈9固定在轴套夹具10表面，所述铂电阻传感器13安装在轴套夹具10上，所述的润滑脂收集箱14安装在机架16上，可自由安装或拆卸，所述的力传感器15安装在径向加载机构17上，其上端与滑动轴承轴套夹具10接触，所述的液压缸18和油泵19安装在机架16上。如图1所示，所述的全尺寸织构化钻头滑动轴承实验测试方法，它包括下步骤：s1、预热：实验前先启动实验装置，使实验装置在零负载情况下预热20min；s2、试样实验前质量的测量：实验前，经清洗和烘干后的滑动轴承轴颈24和轴套26试样的质量分别由电子天平测量；s3、安装钻头滑动轴承试样：将已加工好的滑动轴承轴颈24通过一定锥度的通孔与旋转轴形成过盈配合，拧紧螺母12，保证过盈连接的可靠性；将滑动轴承轴套26通过紧定销钉与轴套夹具10形成固定连接，最后将轴套夹具10安装于实验机架16上，使滑动轴承轴颈24外表面与轴套26内表面接触；s4、设定实验参数：通过计算机设定实验时变频电机3转速、加载机构（16、17、18）加载力的大小、实验时滑动轴承试样的温度；加载力由油泵18供入液压油推动活塞22运动，经径向加载机构17将力加在滑动轴承11试样上，温度由加热圈9加热一段时间达到预设定的值；s5、摩擦磨损实验：先打开润滑脂供给装置8，向滑动轴承轴颈24和轴套26接触表面挤入润滑脂，启动变频电机3带动经联轴器5，主轴箱7带动滑动轴承轴颈24旋转，即可开启摩擦磨损实验，实验进行3h，每隔1s记录一个实验过程中的数据；s6、实验后处理：实验结束后由计算机系统导出实验过程中的摩擦系数；用电子天平测量实验后经清洗和烘干后的试样的质量，与实验前滑动轴承轴颈24和轴套26的质量差、即为实验过程中滑动轴承轴颈24和轴套26试样的磨损量，摩擦磨损实验后滑动轴承轴颈24和轴套26试样的表面形貌可通过扫描显微镜观察得到；s7、重复s2~s6，得到多组相同实验工况、相同几何参数表面织构下的滑动轴承摩擦磨损实验数据，减小或消除实验误差；s8、改变滑动轴承轴颈24和轴套26试样（即改变滑动轴承轴颈表面织构的几何参数）或实验工况（加载力、电机转速、实验温度）重复s2~s7，得到多组不同实验工况、不同几何参数表面织构下的摩擦磨损实验数据；s9、对比不同工况及不同表面织构下得到的实验数据，分析表面织构对不同工况下滑动轴承摩擦磨损的影响，得到对应工况下的最优表面织构。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其它实施例的排除，而可用于各种其它组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上诉教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。当前第1页12