温度与载荷协同作用下深地钻具径向轴承的表面损伤行为

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.07.005

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (7): 1572-1579.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.07.005

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温度与载荷协同作用下深地钻具径向轴承的表面损伤行为

娄明¹(), 杨训旺¹, 郝开元¹, 徐凯¹, 于兴胜², 沈海春³, 张国田², 常可可¹()

^1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室, 宁波, 315201
^2.北京石油机械有限公司, 北京, 102206
^3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第二钻井工程分公司, 廊坊, 065001

收稿日期:2025-06-22 出版日期:2026-07-25 发布日期:2026-08-18
通讯作者: 常可可
作者简介:娄明，男，1988年生，副研究员、硕士研究生导师。研究方向为钻探金属陶瓷复合材料。发表论文50余篇。E-mail： louming@nimte.ac.cn
常可可^*（通信作者），男，1986年生，研究员、博士研究生导师。研究方向为苛刻环境机械表面与界面。发表论文100余篇。E-mail： changkeke@nimte.ac.cn。
基金资助:
国家重点研发计划(2023YFB3712600);国家自然科学基金(52475230);宁波市“科创甬江2035”关键技术项目(2024Z138);宁波市“科创甬江2035”关键技术项目(2024Z095)

Surface Damage Behaviors of the Radial Bearings for Deep Drilling Tools under the Synergistic Effect of Temperature and Load

LOU Ming¹(), YANG Xunwang¹, HAO Kaiyuan¹, XU Kai¹, YU Xingsheng², SHEN Haichun³, ZHANG Guotian², CHANG Keke¹()

^1.State Key Laboratory of Advanced Marine Materials，Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo，Zhejiang，315201
^2.Beijing Petroleum Machinery Co. ，Ltd，Beijing，102206
^3.No. 2 Drilling Engineering Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Co. ，Ltd，Langfang，Hebei，065001

Received:2025-06-22 Online:2026-07-25 Published:2026-08-18
Contact: CHANG Keke

摘要/Abstract

摘要：

采用ANSYS仿真分析了深地钻具径向轴承在温度、载荷协同作用下的应力/应变分布状态。仿真结果表明，最大等效应力/应变出现在硬质合金/焊料界面（焊接界面）和硬质合金/硬质合金界面（摩擦界面）附近；温度显著提升应力/应变水平，300 ℃下的最大等效应力/应变较100 ℃下的最大等效应力/应变增大约2.5倍；轴承两端的摩擦应力高于中间区域，且更易发生黏着磨损。上述仿真结果与实地服役轴承的损伤分布特征高度吻合，可为径向轴承的优化设计提供理论参考。

关键词: 径向轴承, 表面损伤, 温度, 载荷, 有限元分析

Abstract:

The stress and strain distributions of radial bearings for deep drilling tools under the synergistic effects of temperature and load are studied via finite element simulations using ANSYS Workbench. The simulation results show that the maximum equivalent stress and strain occur near the cemented carbide-solder interface （i.e.， the welding interface） and the cemented carbide-cemented carbide interface （i.e.， the sliding interface）. Temperature significantly increases the stress and strain levels； the maximum equivalent stress and strain at 300 ℃ are approximately 2.5 times higher than those at 100 ℃. The frictional stress at both ends of the bearings is higher than that in the middle region， making the end regions more susceptible to adhesive wear. The simulation results are in good agreement with the damage distribution characteristics observed after field application， indicating that these findings can provide a theoretical reference for the optimal design of radial bearings.

Key words: radial bearings, surface damage, temperature, load, finite element analysis

中图分类号:

TP182

娄明, 杨训旺, 郝开元, 徐凯, 于兴胜, 沈海春, 张国田, 常可可. 温度与载荷协同作用下深地钻具径向轴承的表面损伤行为[J]. 中国机械工程, 2026, 37(7): 1572-1579.

LOU Ming, YANG Xunwang, HAO Kaiyuan, XU Kai, YU Xingsheng, SHEN Haichun, ZHANG Guotian, CHANG Keke. Surface Damage Behaviors of the Radial Bearings for Deep Drilling Tools under the Synergistic Effect of Temperature and Load[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(7): 1572-1579.

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图/表 13

图1 钻探机具传动轴及径向轴承组结构

Fig.1 Typical structures of the drive shaft assembly and the radial bearing set of drilling tools

图2 径向轴承动/静圈摩擦接触面示意图

Fig.2 Schematic diagram of sliding contact surfaces between the moving rings and stationary rings of radial bearings

图3 径向轴承动/静圈有限元模拟模型

Fig.3 Simulation model of the moving rings and stationary rings of radial bearings

表1 网格独立性验证

Tab.1 Validation of mesh independence

序号	硬质材料和焊料区域的网格尺寸/mm	基体区域的网格尺寸/mm	网格数量	最大等效应力/MPa
1	1.0	10.0	537 233	382
2	1.5	10.0	339 793	380
3	2.0	10.0	294 712	383
4	2.0	8.0	337 581	385
5	2.5	10.0	258 271	387
6	3.0	10.0	248 091	391

表2 材料属性定义［10-16］

Tab.2 Definition of materials properties［10-16］

材料	密度 ρ/（kg∙m^-3）	热膨胀系数 α/K^-1	热导率 K/（W∙m^-1∙K^-1）	比热容 C/（J∙kg^-1∙K^-1）	弹性模量 E/GPa	泊松比ν	硬度HV	屈服强度 MPa
YG8合金片	14600	5.8×10^-6	134	200	577	0.23	1270	-
Ti（C，N）片	6400	9.4×10^-6	17	466	484	0.19	1300	-
AgCuZn焊料	9500	1.9×10^-5	150	300	80	0.34	130	400
CuNiZn焊料	8400	1.6×10^-5	40	380	120	0.33	200	557
42CrMo基体	7850	1.2×10^-5	40	460	210	0.28	260	550

图4 径向轴承在温度100 ℃和动态轴承载荷0~10 kN下的仿真结果

Fig.4 Simulation results of the radial bearings at a temperature of 100 ℃ and dynamic bearing loads of 0~10 kN

图5 轴承摩擦界面的仿真结果（100 ℃，动态载荷0~10 kN）

Fig.5 Simulation results of the sliding interfaces for bearing （100 ℃， dynamic loads of 0~10 kN）

图6 径向轴承在温度100 ℃和动态轴承载荷0~10 kN下的仿真结果

Fig.6 Simulation results of the radial bearings at a temperature of 100 ℃ and dynamic bearing loads of 0~10 kN

图7 摩擦界面在温度100 ℃和动态轴承载荷0~10 kN下的仿真结果：

Fig.7 Simulation results of the sliding interfaces at a temperature of 100 ℃ and dynamic bearing loads of 0~10 kN

图8 深地钻具径向轴承动/静圈表界面损伤形貌分析

Fig.8 Morphological analyses on the damaged surfaces and interfaces of the moving ring and stationary ring of radial bearings dismantled from deep drilling tools

图9 不同温度和动态轴承载荷0~10 kN下的仿真结果

Fig.9 Simulation results at different temperatures and dynamic bearing loads of 0~10 kN

图10 摩擦界面在温度300 ℃和动态轴承载荷0~10 kN下的仿真结果

Fig.10 Simulation results of the sliding interfaces at a temperature of 300 ℃ and dynamic bearing loads of 0~10 kN

图11 不同材料组合在温度100 ℃和动态轴承载荷0~10 kN下的仿真结果

Fig.11 Simulation results of different materials combinations at a temperature of 100 ℃ and dynamic bearing loads of 0~10 kN

参考文献 22

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温度与载荷协同作用下深地钻具径向轴承的表面损伤行为

Surface Damage Behaviors of the Radial Bearings for Deep Drilling Tools under the Synergistic Effect of Temperature and Load

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