專利名稱:鑿巖鉆頭的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明總體上涉及地鉆旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭(earth-boring rotary drill bit),尤其涉及通過數(shù)字建模與模擬對(duì)這種鉆頭的設(shè)計(jì)和軸承的優(yōu)化。
背景技術(shù):
在利用旋轉(zhuǎn)方法在地層中鉆孔時(shí),地鉆鉆頭典型地釆用至少一個(gè) 可旋轉(zhuǎn)地安裝在其上面的旋轉(zhuǎn)錐形刀具。鉆頭固定到鉆柱的下端,其 中鉆柱從表面或者通過井下電機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí),安裝到鉆頭上 的刀具旋轉(zhuǎn)并滑動(dòng)到鉆孔的底部,由此接觸并瓦解地層材料。旋轉(zhuǎn)的 刀具有齒,該齒被來自鉆柱的重量推動(dòng)穿入并挖到鉆孔的底部。
當(dāng)?shù)毒哐劂@孔的底部旋轉(zhuǎn)并滑動(dòng)時(shí),刀具及旋轉(zhuǎn)安裝到其上的軸 承受來自鉆頭上重量的大的靜止負(fù)荷,而當(dāng)?shù)毒哐劂@孔底部不平坦表 面旋轉(zhuǎn)并滑動(dòng)時(shí),其承受所遇到的大的瞬時(shí)或沖擊負(fù)荷。因此,大多 數(shù)地鉆鉆頭都具有精確形成的軸頸軸承(journal bearing)和軸承表 面,及增加鉆頭鉆孔壽命的密封潤(rùn)滑系統(tǒng)。該潤(rùn)滑系統(tǒng)通常是密封的, 以避免潤(rùn)滑劑損失并防止例如在鉆孔中遇到的諸如磨粒的外來物質(zhì)對(duì) 軸承的污染。壓力補(bǔ)償器系統(tǒng)最小化跨密封的壓力差,使得潤(rùn)滑劑壓 力等于或稍大于鉆頭和鉆孔側(cè)壁之間環(huán)形空間中的流體靜力壓力。
軸承設(shè)計(jì)成使得潤(rùn)滑劑膜存在于負(fù)荷軸承表面之間。軸承表面之 間的潤(rùn)滑劑膜可以薄到使相對(duì)移動(dòng)的表面的不規(guī)則表面特征相互作 用。目前軸承設(shè)計(jì)的方法在極大程度上是通過現(xiàn)場(chǎng)的反復(fù)實(shí)驗(yàn)、通過 在觀察其現(xiàn)場(chǎng)性能之后稍微修改目前設(shè)計(jì)或者通過在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并建 立用于測(cè)試的物理模型。地鉆鉆頭承受極端的壓力和溫度,因此鉆頭, 尤其是密封和軸承表面,比現(xiàn)有技術(shù)工作時(shí)間長(zhǎng)的能力就導(dǎo)致地鉆鉆 探具有更高負(fù)荷能力和增加的壽命并因此有更經(jīng)濟(jì)地工作。通過反復(fù) 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是昂貴且耗時(shí)的。到目前為止,在已經(jīng)設(shè)計(jì)出的幫助軸承 設(shè)計(jì)的混合潤(rùn)滑劑計(jì)算機(jī)模型中,大多數(shù)是基于理想化支撐的軸,而 且還沒有考慮軸的偏斜、失準(zhǔn)及與關(guān)于軸承中傳熱的粗糙面接觸
(asperity contact)。這些計(jì)算機(jī)才莫型已經(jīng)用于其中小的軸頸和推力 軸承承當(dāng)小負(fù)荷的硬盤驅(qū)動(dòng)的軸承系統(tǒng),還用于其中軸頸軸承承當(dāng)重 負(fù)荷的汽車引擎中的曲軸軸承。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式有利地提供了用于通過使用穩(wěn)態(tài)混合的熱彈 流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模型優(yōu)化地鉆鉆頭設(shè)計(jì)的方法和程序產(chǎn)品,其中該 計(jì)算機(jī)模型考慮到了表面粗糙度、粗糙面接觸、表面熱彈性變形、潤(rùn) 滑劑粘性的溫度-壓力依賴特性及例如軸支撐和軸承表面之間失準(zhǔn)的 系統(tǒng)幾何約束的影響。該計(jì)算機(jī)模型允許對(duì)在苛刻運(yùn)行環(huán)境下運(yùn)行的 鉆頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。在優(yōu)選實(shí)施方式中,該計(jì)算機(jī)模型應(yīng)用到軸頸軸承, 在可選實(shí)施方式中,該計(jì)算機(jī)模型應(yīng)用到耦合的軸頸-推力軸承。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,設(shè)計(jì)處理的方法首先涉及利用用于 特定鉆頭的設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成計(jì)算機(jī)模型。設(shè)計(jì)參數(shù)可以包括如鉆頭的通 用布局、鉆頭制造所選的材料及相關(guān)的材料屬性、還有用在鉆頭軸承 中的潤(rùn)滑劑的屬性等。設(shè)計(jì)處理涉及一系列計(jì)算,通過這些計(jì)算來計(jì) 算鉆頭軸承中的流體動(dòng)力學(xué)特性和粗糙面接觸壓力并使系統(tǒng)平衡。可 能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)處理的迭代,來實(shí)現(xiàn)期望的鉆頭和軸承設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的實(shí)施方式還包括優(yōu)化地鉆鉆頭設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。 例如,根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括一組指令,當(dāng)該 組指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí),使計(jì)算機(jī)接受初始設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入、執(zhí)行一系列計(jì)算并返回用于地鉆鉆頭的最優(yōu)設(shè)計(jì)。在可選實(shí)施方式中,當(dāng)該 組指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí),將使計(jì)算機(jī)執(zhí)行一系列計(jì)算,該計(jì)算將提供 用于地鉆鉆頭中軸承的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
在本發(fā)明的另 一種實(shí)施方式中,優(yōu)化地鉆鉆頭設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以包 括具有處理器、耦合到該處理器的存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)器中的地鉆 鉆頭優(yōu)化程序產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)。該地鉆鉆頭優(yōu)化程序產(chǎn)品可以包括執(zhí)行 接收輸入數(shù)據(jù)操作的指令,包括執(zhí)行優(yōu)化地鉆鉆頭設(shè)計(jì)操作所需的輸 入數(shù)據(jù),而且在一種實(shí)施方式中,還包括執(zhí)行地鉆鉆頭軸承優(yōu)化所需 的輸入數(shù)據(jù)。
本發(fā)明實(shí)施方式的結(jié)果是所設(shè)計(jì)的地鉆鉆頭包括具有高功率密 度的緊湊軸承設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。
因此,可以更詳細(xì)地理解本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)及其它將顯而易見的 方式,對(duì)以上簡(jiǎn)略概述的本發(fā)明的更具體的描述可以參考在附圖中說 明的實(shí)施方式,其中附圖構(gòu)成了本說明書的一部分。但是,應(yīng)當(dāng)指出, 附圖僅僅說明了本發(fā)明的各種實(shí)施方式,因此不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制本發(fā) 明的范圍,本發(fā)明還可以包括其它有效的實(shí)施方式。
圖l是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的地鉆鉆頭一部分的截面圖。
圖2用圖形表示出了軸頸-推力軸承系統(tǒng)的角度失準(zhǔn)的幾何圖形。
圖3示出了總體的地鉆鉆頭設(shè)計(jì)優(yōu)化處理的實(shí)施方式。
圖4示出了地鉆鉆頭軸承部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化處理的實(shí)施方式。
圖5示出了地鉆鉆頭軸承部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化處理的可選實(shí)施方式。
圖6示出了地鉆鉆頭軸承部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化處理的另一種可選實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式
以下將參考附圖更完整地描述本發(fā)明,其中
了本發(fā)明的 實(shí)施方式。但是,本發(fā)明可以以許多不同形式實(shí)現(xiàn),而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為被限定到在此所說明的實(shí)施方式。而且,提供這些實(shí)施方式是為了使本 公開透徹與完整,并將完整地向本領(lǐng)域技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。
參考圖1,鉆頭ll有至少一個(gè)鉆頭腿(bitleg) 13,而且通常有 三個(gè)。每個(gè)鉆頭腿13有一個(gè)朝鉆頭11的旋轉(zhuǎn)軸向下向內(nèi)延伸的軸承 銷15。軸承銷15在內(nèi)端有直徑比軸承銷15剩佘部分小的圓柱形突出 部分17。向內(nèi)的環(huán)形推力肩19圍繞著突出部分17。推力肩19位于與 軸承銷15的軸垂直的平面內(nèi)。在這種實(shí)施方式中,推力肩19可選地 具有硬的、耐磨損材料的嵌入物21。類似地,突出部分17也可以在 其圓柱形外表面上具有相同耐磨損材料的嵌入物23。
軸承銷15具有圍繞其下側(cè)延伸的部分圓柱形的軸頸軸承表面 25。在這種實(shí)施方式中,」硬的耐磨損材料的可選嵌入物27位于該軸頸 軸承表面25中。由于施加到鉆頭11上的推力是向下的,因此嵌入物 27不需要延伸到軸承銷15的上側(cè)。潤(rùn)滑劑通道29延伸通過鉆頭腿13 和軸承銷15,到達(dá)軸承銷15的上側(cè)。壓力補(bǔ)償器(未示出)向通道 29提供施壓的潤(rùn)滑劑。
刀具或錐體31旋轉(zhuǎn)安裝到軸承銷15。錐體31在其外部有多個(gè)齒 33。圖1示出了來自旋轉(zhuǎn)到單個(gè)平面的鉆頭11的所有三個(gè)錐體31的 齒33。 如圖所示,齒33可以是壓到錐體31主體中匹配孔中的硬金 屬插入物。可選地,它們也可以是軋入錐體31外部的鋼齒。
錐體31有用于旋轉(zhuǎn)安裝到軸承銷15上的中心腔35。腔35有與 錐體31的軸垂直的、用于與軸承銷推力肩19匹配的推力肩37。推力 墊圏39位于推力肩19和37之間。盡管它可以銅焊或焊接到肩19或 37中的一個(gè)上,但是在優(yōu)選實(shí)施方式中,推力墊圏39沒有固定到推 力肩19或37的^f壬一個(gè)上。
在這種實(shí)施方式中,軸承套筒41位于錐體31的腔中,充當(dāng)密封 部件49的一部分。有多種密封可以使用。在這個(gè)例子中,軸承套筒 41與錐體31—起旋轉(zhuǎn),而且在這種實(shí)施方式中,滑動(dòng)地與鋼性密封 環(huán)47接合。優(yōu)選地,密封47也是由硬化的材料形成,并且被彈性加 力環(huán)(elastomeric energizing ring) 48逆著軸承套筒41推進(jìn)。擋圏43圍繞腔35與擋圈槽45接合延伸,以便將錐體31保持在軸承銷15 上。其它類型的護(hù)圈使用球(未示出)。密封部件49將潤(rùn)滑劑密封到 軸承銷15與錐體31之間的空間中。
轉(zhuǎn)向圖3,其示出了地鉆鉆頭設(shè)計(jì)優(yōu)化處理的實(shí)施方式。該設(shè)計(jì) 優(yōu)化處理涉及穩(wěn)態(tài)混合熱彈流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模型的使用,其中該計(jì) 算機(jī)模型考慮到了表面粗糙度、粗糙面接觸、表面熱彈性變形、潤(rùn)滑 劑粘性的溫度-壓力依賴特性及例如軸支撐和軸承表面之間失準(zhǔn)的系 統(tǒng)幾何約束的影響。
首先,如在步驟102中所指示的,應(yīng)用參數(shù)(例如鉆頭上的重量、 鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度、巖層的耐壓強(qiáng)度及要施加到鉆頭的負(fù)荷)輸入到計(jì) 算機(jī)模型中。在優(yōu)選實(shí)施方式中,應(yīng)用參數(shù)可以從可能最常使用或者 優(yōu)選的應(yīng)用參數(shù)庫中選擇。在可選實(shí)施方式中,應(yīng)用參數(shù)可以手動(dòng)輸 入到計(jì)算機(jī)模型中。
在設(shè)計(jì)處理的下一個(gè)步驟104中,選擇用于鉆頭的(包括用于軸 承和軸頸的)材料及這種材料的相關(guān)屬性。在優(yōu)選實(shí)施方式中,存在 通常使用材料的材料屬性庫,并且通過從該庫中選擇材料,與這種材 料關(guān)聯(lián)的材料屬性輸入到計(jì)算機(jī)模型中。庫中不存在的材料的材料屬 性可以手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)模型中。
接下來,參考步驟106,輸入定義軸承布局的基本設(shè)計(jì)參數(shù)。其 可能包括例如鉆頭直徑、鉆頭總體長(zhǎng)度、切割表面類型、軸承直徑、 軸承長(zhǎng)度及軸承表面粗糙度的信息。在優(yōu)選實(shí)施方式中,用于各種標(biāo) 準(zhǔn)尺寸鉆頭的慣用設(shè)計(jì)庫包含在計(jì)算機(jī)模型中,而且當(dāng)從該庫中選擇 計(jì)算機(jī)模型中所使用的設(shè)計(jì)時(shí),所有需要的設(shè)計(jì)參數(shù)都輸入到計(jì)算機(jī) 模型中??蛇x地,定義軸承布局的設(shè)計(jì)參數(shù)可以手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)模 型中。在完成步驟102至106后,軸承設(shè)計(jì)分析在步驟108中執(zhí)行。
圖4示出了步驟108的軸承設(shè)計(jì)分析的實(shí)施方式。該步驟108優(yōu) 化地鉆鉆頭的軸承部分。軸承設(shè)計(jì)分析中的第一步IIO是輸入系統(tǒng)數(shù) 據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括軸承部分的機(jī)械和熱屬性,例如材料屬性、潤(rùn)滑劑 屬性及幾何屬性。軸承部分的材料屬性可以包括例如選擇用來構(gòu)建鉆頭部件的材 料的彈性系數(shù)、拉伸和耐壓強(qiáng)度及其它物理屬性。在優(yōu)選實(shí)施方式中,
在步驟104輸入的材料屬性將在步驟110中使用??蛇x地,用于步驟 110中的軸承部分的材料屬性也可以從通用材料的材料屬性庫中選 擇,而且通過從庫中選擇材料,與這種材料相關(guān)的材料屬性就輸入到 計(jì)算機(jī)模型中??蛇x地,用于軸承部分的材料屬性可以手動(dòng)輸入到計(jì)
算機(jī)模型中。
步驟110中的潤(rùn)滑劑屬性可以包括例如要被使用的潤(rùn)滑劑的粘性 參數(shù)、密度參數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱及其它屬性。在優(yōu)選實(shí)施方式中, 潤(rùn)滑劑屬性可以從通用潤(rùn)滑劑的庫中選擇,而且通過從庫中選擇潤(rùn)滑 劑,與這種潤(rùn)滑劑相關(guān)的潤(rùn)滑劑屬性就輸入到計(jì)算機(jī)模型中??蛇x地, 潤(rùn)滑劑屬性也可以手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)模型中。
步驟110中的幾何數(shù)據(jù)可以包括例如鉆頭的直徑、鉆頭總體長(zhǎng)度、 切割表面的類型、軸承的直徑、軸承的長(zhǎng)度及軸承表面的粗糙度。在 優(yōu)選實(shí)施方式中,來自步驟106的定義軸承布局的設(shè)計(jì)參數(shù)可以在步 驟110中使用??蛇x地,步驟110中用于軸承部分的幾何數(shù)據(jù)可以從 標(biāo)準(zhǔn)配置庫中選擇,而且通過從庫中選擇配置,與該配置相關(guān)的幾何 數(shù)據(jù)就被輸入到計(jì)算機(jī)模型中??蛇x地,用于軸承部分的幾何數(shù)據(jù)也 可以手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)模型中。
按照系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入,計(jì)算機(jī)模型所需的數(shù)據(jù)庫在步驟112中構(gòu) 成。計(jì)算機(jī)模型使用軸頸和軸承二者的彈性與熱彈性影響函數(shù)矩陣及 兩個(gè)匹配表面之間粗糙面接觸壓力與間隙的半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。彈性 矩陣提供了施加到軸承的力與位移之間的關(guān)系。熱彈性矩陣提供了元 件溫度升高與由于熱膨脹導(dǎo)致的位移之間的關(guān)系。在優(yōu)選實(shí)施方式中, 矩陣是根據(jù)步驟IIO中輸入的系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成的,而且不需要更多的輸 入。
半經(jīng)驗(yàn)粗糙面接觸公式涉及粗糙軸承表面之間的物理接觸。該半 經(jīng)驗(yàn)粗糙面接觸公式用于將兩個(gè)匹配表面之間的間隙和接觸面積及接 觸壓力相關(guān)聯(lián)。在優(yōu)選實(shí)施方式中,存在用于各種標(biāo)準(zhǔn)表面的粗糙面接觸公式的庫,而且通過選擇用于相關(guān)軸承部分的表面,通過適當(dāng)?shù)?粗糙面接觸公式構(gòu)成了計(jì)算機(jī)模型??蛇x地,用于軸承表面的粗糙面 接觸公式可以手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)模型中。
在處理的下一步114中需要數(shù)據(jù)輸入。這種數(shù)據(jù)可以包括每個(gè)軸 承上的預(yù)期負(fù)荷、旋轉(zhuǎn)部分的速度、軸承間隙、軸承表面的表面參數(shù)、 運(yùn)行過程中的環(huán)境溫度分布及軸頸和軸承的中心線之間的失準(zhǔn)角。在 優(yōu)選實(shí)施方式中,來自步驟102的應(yīng)用參數(shù),例如鉆頭上的重量、鉆 頭的旋轉(zhuǎn)速度、巖層的耐壓強(qiáng)度及估計(jì)的側(cè)部負(fù)荷,用于計(jì)算作用在 每個(gè)軸承上的負(fù)荷。當(dāng)前的環(huán)境溫度可以根據(jù)給定的溫度分布計(jì)算。
統(tǒng)計(jì)性表面參數(shù),例如軸承表面的均方根平均和自相關(guān)長(zhǎng)度,可 以從測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算。統(tǒng)計(jì)性表面參數(shù)可以用于說明軸承表面的粗糙度 對(duì)潤(rùn)滑的影響。可選地,確定性方法,例如基于有限元的針對(duì)真實(shí)表 面(with real surface )的計(jì)算機(jī)模型,可以用于潤(rùn)滑分沖斤。該確定性 方法可以允許更大的精度,但需要更多的計(jì)算時(shí)間。
轉(zhuǎn)向圖2,示意性并在很大程度上夸大地示出了軸頸51與錐形軸 承53中心線之間的失準(zhǔn)角a。該失準(zhǔn)角是制造與組裝過程中幾何失準(zhǔn) 及軸頸51偏斜的結(jié)果。在一種實(shí)施方式中,該失準(zhǔn)角不是作為特定數(shù) 值輸入的,而是由計(jì)算機(jī)模型根據(jù)步驟102、 104、 106、 110和112 中提供的信息計(jì)算的。更特別地,來自步驟102的所估計(jì)的鉆頭上的 負(fù)荷、步驟106和110中所提供的軸承布局與幾何數(shù)據(jù)可以用于計(jì)算 軸頸與軸承中心線之間的角度失準(zhǔn)。
轉(zhuǎn)向圖4,在步驟114中,輸入對(duì)偏心率比和裝填角的初始估計(jì)。 偏心率是軸承中心線與穩(wěn)態(tài)軸頸中心線之間的偏離。偏心率比是偏心 率與軸承間隙之間的比,并可以利用來自步驟110的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行估 計(jì)。
下一步是在步驟116中計(jì)算潤(rùn)滑劑粘性和密度。潤(rùn)滑劑的粘性和 密度都可以是溫度和壓力的函數(shù)。在給定溫度和壓力下確定粘性和密 度所需的參數(shù)是在步驟110輸入到計(jì)算機(jī)模型中的。潤(rùn)滑劑的粘性將 直接影響軸頸和推力軸承的負(fù)荷能力。在一種實(shí)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 )提出的經(jīng)驗(yàn)粘 性-溫度-壓力關(guān)系(在此引入其全部?jī)?nèi)容作為參考)計(jì)算的
/^:/^exp -^——
""g 1 c2+(r-rg), J
其中下標(biāo)g代表潤(rùn)滑劑的玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn)(glass transition point), T是溫度,d和C2是基本油系數(shù),而F是基本油參數(shù)。
在 一 種實(shí)施方式中,假設(shè)潤(rùn)滑劑具有等于潤(rùn)滑劑膜平均粘性的均 勻粘性。在可選實(shí)施方式中,考慮到跨潤(rùn)滑劑膜厚度的粘性變化。
熱彈性變形與膜厚度在下一步118中計(jì)算。軸承和軸頸表面的變 形可以表示為彈性和熱變形的總和。因?yàn)檩S承溫度是相對(duì)均勻的,所 以軸頸的熱變形可以由以下熱膨脹/>式表示
& (6, A71) = arA7>(l + £ cos(e - p))
其中Ar是軸承中的平均溫度增加,《,7>的乘積是間隙變化,而
l + "o一1)是當(dāng)給定偏心率比s時(shí)在不同圓周位置的調(diào)整。^V是軸承
的熱變形,c^是熱膨脹系數(shù),r是軸承半徑,e是圓周坐標(biāo),而cp是 軸承或裝填角。
軸頸熱變形、軸頸彈性變形及軸承彈性變形可以利用由Shi和 Wang( F.H.Shi, Q.Wang, "A mixed畫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)描迷的影響函數(shù)方法計(jì)算, 通過引入這兩篇文章的全部?jī)?nèi)容作為參考。軸承的總變形是以上熱變 形公式的結(jié)果與通過影響函數(shù)方法得到的彈性變形結(jié)果的總和。軸頸 的總變形是熱與彈性變形的總和,這兩者都是利用影響函數(shù)方法計(jì)算 的。
總的膜厚度是兩個(gè)粗糙表面之間的平均間隙。該平均間隙將是額定間隙與表面變形的總和,其中額定間隙包括軸頸和軸承之間的角度
失準(zhǔn)??偟哪ず穸萮T可以如下計(jì)算
^ /、
~ = c + e cos(夕一 p) + a z——cos(夕-p) + ^ +
、 2」
其中c是軸承間隙,e是偏心率比,(p是軸承或裝填角,a是失 準(zhǔn)角,z是寬度坐標(biāo),/是軸承長(zhǎng)度,而^和A分別是軸頸與軸承表面 的熱彈性變形。
接下來,在步驟120中通過求解平均Reynolds公式來計(jì)算流體 動(dòng)力壓力,其中Reynolds公式描迷了流體動(dòng)力壓力與潤(rùn)滑劑膜厚度之 間的關(guān)系
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其中^和A是壓力流因子,而A是剪切流因子。下標(biāo)B指軸承, R是半徑,p是密度,h是柔量(compliance) , p是壓力,0是圓周 坐標(biāo),z是寬度坐標(biāo),hT是總的膜厚度,U是軸頸速度,而cr是粗糙 度的均方根。在一種實(shí)施方式中,Reynolds邊界條件可以用于求解該 平均Reynolds >式。
處理中到目前為止,還沒有給出迭代或可選的順序。這里,在處 理中,給出了可選路徑。根據(jù)流體動(dòng)力壓力的計(jì)算,計(jì)算機(jī)模型在步 驟122中確定壓力是否收斂。這是通過比較從連續(xù)的迭代所計(jì)算出的 壓力來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)連續(xù)的迭代的值在給定容差之內(nèi)時(shí),認(rèn)為壓力已經(jīng) 收斂。該容差可以在例如10—5到10—6內(nèi)。如果壓力收斂,則計(jì)算機(jī)模 型繼續(xù)到步驟124。在一種實(shí)施方式中,如果初始?jí)毫土黧w動(dòng)力壓 力不在步驟122中選定的容差之內(nèi),則計(jì)算機(jī)模型前進(jìn)到步驟123, 在那里引入或調(diào)整松弛因子,然后計(jì)算機(jī)模型返回步驟120,在那里 重新計(jì)算流體動(dòng)力壓力。松弛因子是用于幫助使發(fā)散或緩慢收斂的迭 代處理收斂的值??蛇x地,其它輸入也可以修改。步驟120至123可 以根據(jù)需要重復(fù)很多次,以使壓力收斂在選定容差內(nèi)。
如果在步驟122中壓力收斂,則計(jì)算機(jī)模型繼續(xù)到步驟124并計(jì) 算粗糙面接觸壓力。粗糙面相互作用是混合潤(rùn)滑中的一個(gè)主要特征,在混合潤(rùn)滑中接觸的粗糙面分擔(dān)施加到軸承的 一部分正常負(fù)荷
(normal load )。半經(jīng)驗(yàn)粗糙面接觸公式近似粗糙面接觸壓力和兩個(gè) 匹配表面之間平均間隙之間的關(guān)系。該平均間隙是計(jì)算粗糙面接觸負(fù) 荷所需的。為此可以使用的該粗糙表面接觸模型是由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)開發(fā)的,在此 引入該文章的全部?jī)?nèi)容作為參考。
但是,如果確定在軸承表面之間沒有物理接觸,則不需要步驟 124。膜厚度相對(duì)于均方根粗糙度的比率可以用于確定什么時(shí)候需要步 驟124。在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果膜厚度相對(duì)于均方根粗糙度小于3, 則可以假設(shè)軸承表面之間有物理接觸,且應(yīng)當(dāng)執(zhí)行步驟124。其它公 式或因子可以用于確定是否需要步驟124。在下一步126中計(jì)算總的 力。總的力是由于流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力造成的力的總和。 過程中的下一步128是詢問力是否平衡。為了確定力是否平衡,在軸 承表面上的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力結(jié)合并與先前相同計(jì)算的 迭代進(jìn)行比較。如果在步驟128中力不平衡,則計(jì)算機(jī)模型前進(jìn)到步 驟116,在步驟116中對(duì)所計(jì)算的粘性和密度進(jìn)行調(diào)整,而且步驟116 至128可以根據(jù)需要重復(fù)許多次,直到在步驟128中力收斂。
一旦在步驟128中力收斂,則計(jì)算機(jī)模型就移動(dòng)到步驟130,在 步驟130計(jì)算裝填角。裝填角是總的力的垂直與水平分量之間的角度。 裝填角可以通過確定總的力的矢量分量來計(jì)算。在下一步132中,過 程確定裝填角是否收斂。這是通過比較步驟114的裝填角估計(jì)結(jié)果與 步驟130中計(jì)算的裝填角來實(shí)現(xiàn)的。如果裝填角不在給定容差內(nèi),則 過程繼續(xù)到步驟134,在那里調(diào)整裝填角。然后,過程返回步驟116, 且重復(fù)步驟116至132,直到裝填角在給定容差內(nèi)。
如果裝填角在容差內(nèi),則過程繼續(xù)到步驟136,在那里過程確定 負(fù)荷是否收斂到給定的負(fù)荷。這是通過比較步驟126中計(jì)算的力與步 驟114中作為輸入數(shù)據(jù)提供的負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)的。如果力的差不在給定容差內(nèi),則過程繼續(xù)到步驟138,在那里調(diào)整偏心率比。然后,過程返 回步驟116,并且重復(fù)步驟116至136,直到負(fù)荷在給定容差內(nèi)。
如果負(fù)荷在給定容差內(nèi),則處理繼續(xù)在步驟140中求解溫度。能 量公式用于計(jì)算由軸承產(chǎn)生的熱。熱可能由潤(rùn)滑劑與固體表面的相互 作用、潤(rùn)滑劑本身及通過接觸摩擦產(chǎn)生。
接下來,計(jì)算機(jī)模型在步驟142中確定溫度是否收斂。這是通過 利用所計(jì)算的熱傳遞平衡在步驟140中確定的熱生成來決定的。在優(yōu) 選實(shí)施方式中,如果產(chǎn)生和傳遞的熱量不平衡,則過程返回步驟116。 在重復(fù)步驟116至142之前,裝填角或偏心率或其它輸入可被修改, 直到溫度收斂。這完成了過程中軸承設(shè)計(jì)分析部分的第一次迭代。
軸承設(shè)計(jì)分析的可選過程在圖5示出。步驟110至134與第一實(shí) 施方式中的相同。但是,在步驟132中裝填角收斂之后,過程接下來 在步驟236中求解溫度。使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知并理解的能量公式 計(jì)算在軸承中產(chǎn)生的熱。熱可能由潤(rùn)滑劑與固體表面的相互作用、潤(rùn) 滑劑本身及通過接觸摩擦產(chǎn)生。接下來,計(jì)算機(jī)模型在步驟238中確 定溫度是否收斂。這是通過比較在連續(xù)的迭代中所計(jì)算的溫度來實(shí)現(xiàn) 的。在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果溫度差在預(yù)設(shè)的容差內(nèi),則過程返回步 驟116。在重復(fù)步驟116至132和236至238之前,裝填角或偏心率 或其它輸入可以修改,直到溫度收斂。
如果產(chǎn)生和傳送的熱平衡,則計(jì)算才幾模型繼續(xù)到步驟240,在那 里過程確定負(fù)荷是否收斂。這是通過比較在步驟126中所計(jì)算的力和 在步驟114中作為輸入數(shù)據(jù)提供的負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)的。如果力的差不在給 的容差內(nèi),則過程繼續(xù)到步驟242,在那里調(diào)整偏心率比。然后,過 程返回步驟116,且重復(fù)步驟116至132及236至240,直到力的差在 給定容差內(nèi)。如果負(fù)荷收斂,則完成了軸承設(shè)計(jì)分析過程中的第一次 迭代。
軸承設(shè)計(jì)分析的另一種可選過程在圖6中示出。步驟110和112 與前面兩種實(shí)施方式中的相同。但是,不包括在步驟314中作為數(shù)據(jù) 輸入的負(fù)荷,相反提供偏心率比。在處理的步驟314中需要數(shù)據(jù)輸入。、軸承間隙、軸承表面的表面參數(shù)、 運(yùn)行過程中的環(huán)境溫度分布、軸頸與軸承之間的失準(zhǔn)角及偏心率比。
來自步驟102的應(yīng)用參數(shù),例如鉆頭上的重量、鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度、巖 層的耐壓強(qiáng)度及所估計(jì)的總體上施加到鉆頭和軸承上的負(fù)荷,都可以 用于計(jì)算每個(gè)軸承部分的負(fù)荷、速度及間隙。當(dāng)前的環(huán)境溫度可以從 給定的溫度分布計(jì)算。
軸承表面的表面參數(shù)可以確定性地或者統(tǒng)計(jì)性地計(jì)算。統(tǒng)計(jì)性參 數(shù)可以由計(jì)算機(jī);f莫型用于處理軸承表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑的影響??蛇x地, 確定性方法,例如針對(duì)局部密集(with local enrichment)的基于有限 元的模型,可以由計(jì)算機(jī)模型用于潤(rùn)滑分析。該確定性方法可以允許 更大的精度,但需要更多的計(jì)算時(shí)間。
轉(zhuǎn)向圖2,示意性并在很大程度上夸大地示出軸頸51與錐形軸承 的角度失準(zhǔn)a。該失準(zhǔn)角a是制造與組裝過程中幾何不對(duì)準(zhǔn)及軸頸51 偏斜的結(jié)果。在優(yōu)選實(shí)施方式中,該失準(zhǔn)角不是作為特定數(shù)值輸入的, 而是由計(jì)算機(jī)模型從步驟102、 104、 106、 110和112中提供的信息計(jì) 算的。更具體地,來自步驟102的所估計(jì)的鉆頭上的負(fù)荷、步驟106 和110中所提供的軸承布局與幾何數(shù)據(jù)、步驟104和110的材料屬性 及來自步驟112的變形關(guān)系都可以用于計(jì)算軸頸與軸承之間的角度失 準(zhǔn)。回到圖6,輸入對(duì)偏心率比和裝填角的初始猜測(cè)。
下一步是在步驟316中計(jì)算潤(rùn)滑劑粘性和密度。潤(rùn)滑劑的粘性和 密度都可以是溫度和壓力的函數(shù)。在給定溫度和壓力下確定粘性和密 度所需的參數(shù)是在步驟110輸入到計(jì)算機(jī)模型中的。潤(rùn)滑劑的粘性將 直接影響軸頸和推力軸承的負(fù)荷能力。在一種實(shí)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 )提出的經(jīng)驗(yàn)粘
性-溫度-壓力關(guān)系計(jì)算的
「-2.3q(r-r》F、
〃〃p exp -^—
"^ 、 c2+(r —J
其中下標(biāo)g代表潤(rùn)滑劑的玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn),T是溫度,d和Q是基 本油系數(shù),而F是基本油參數(shù)。在一種實(shí)施方式中,假設(shè)潤(rùn)滑劑具有等于潤(rùn)滑劑膜的平均粘性的 均勻粘性。在可選實(shí)施方式中,考慮到跨潤(rùn)滑劑膜厚度的粘性變化。
熱彈性變形與膜厚度在下一步318中計(jì)算。軸承和軸頸表面的變 形可以表示為彈性和熱變形的總和。因?yàn)檩S承溫度是相對(duì)均勻的,所 以軸承的熱變形可以由以下熱膨脹公式表示
&r (0, Ar) = arA7>(l + f cos(夕一 p))
其中Ar是軸承中的平均溫度增加,《47>的乘積是間隙變化,而 i + "os(e-W是當(dāng)給定偏心率比s時(shí)在不同圓周位置的調(diào)整。^^是軸承
的熱變形,而c^是熱膨脹系數(shù),r是軸承半徑,e是圓周坐標(biāo),而cp
是軸承或裝填角。
軸頸熱變形、軸頸彈性變形及軸承彈性變形可以利用由Shi和 Wang( F.H.Shi, Q.Wang, "A mixed國(guó)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)描述的影響函數(shù)方法計(jì)算。 軸承的總變形是以上熱變形公式的結(jié)果和通過影響函數(shù)方法得到的彈 性變形結(jié)果的總和。軸頸的總變形是熱和彈性變形的總和,這兩者都 是利用影響函數(shù)方法計(jì)算的。
總的膜厚度是兩個(gè)粗糙表面之間的平均間隙。該平均間隙將是額 定間隙與表面熱彈性變形的總和,其中額定間隙包括軸頸和軸承之間
的角度失準(zhǔn)。總的膜厚度hT可以如下計(jì)算
f /、
~ = c + e cos(<9 —伊)+ or z——cos(夕—p) + ~ + <5S
V 2」
其中c是平均間隙,e是偏心率,(p是軸承或裝填角,a是失準(zhǔn) 角,z是寬度坐標(biāo),/是軸承長(zhǎng)度,而^和^分別是軸頸與軸承的熱彈
性變形。
接下來,在步驟320中通過求解平均Reynolds公式來計(jì)算流體動(dòng)力壓力,其中Reynolds公式描述了流體動(dòng)力壓力與潤(rùn)滑劑膜厚度之 間的關(guān)系
<formula>formula see original document page 21</formula>
其中^和a是壓力流因子,而a是剪切流因子。下標(biāo)B指軸承,
r是半徑,p是密度,h是柔量,p是壓力,e是圓周坐標(biāo),z是寬度
坐標(biāo),hT是總的膜厚度,U是軸承速度,而o是粗糙度的均方根。在 一種實(shí)施方式中,Reynolds邊界條件可以用于求解這個(gè)平均Reynolds 公式。
處理中到目前為止,還沒有給出迭代或可選的順序。這里,在處 理中,給出了可選路徑。根據(jù)流體動(dòng)力壓力的計(jì)算,計(jì)算機(jī)模型在步 驟322中確定壓力是否收斂。這是通過比較從連續(xù)的迭代所計(jì)算出的 壓力來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)來自連續(xù)的迭代的值在給定容差之內(nèi)時(shí),認(rèn)為壓力 已經(jīng)收斂了。該容差可以在例如10-5到10'6內(nèi)。如果壓力收斂,則計(jì) 算機(jī)模型繼續(xù)到步驟324。在一種實(shí)施方式中,如果在連續(xù)的迭代中 所計(jì)算的流體動(dòng)力壓力的不在步驟322中的預(yù)定容差之內(nèi),則計(jì)算機(jī) 模型前進(jìn)到步驟323,在那里調(diào)整松弛因子,然后計(jì)算機(jī)模型返回步 驟320,在那里重新計(jì)算流體動(dòng)力壓力。松弛因子是用于幫助使發(fā)散 或緩慢收斂的迭代處理收斂的值,并且是在計(jì)算機(jī)代碼中預(yù)定的???選地,其它輸入可以修改。步驟320至323可以根據(jù)需要重復(fù)很多次, 以使得壓力收斂在選定容差內(nèi)。
如果在步驟322中壓力收斂,則計(jì)算機(jī)模型繼續(xù)到步驟324并計(jì) 算粗糙面接觸壓力。粗糙面相互作用是混合潤(rùn)滑中的一個(gè)主要特征, 在混合潤(rùn)滑中接觸的粗糙面分擔(dān)施加到軸承的一部分正常負(fù)荷。半經(jīng) 驗(yàn)粗糙面接觸公式近似粗糙面接觸壓力和兩個(gè)匹配表面之間平均間隙 之間的關(guān)系。該平均間隙是計(jì)算粗糙面接觸負(fù)荷所需的。為此可以使 用的這種粗糙表面接觸才莫型是由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 )開發(fā)的。但是,如果確定在軸承表面之間沒有物理接觸,則不需要步驟
324。膜厚度相對(duì)于均方根粗糙度的比率可以用于確定什么時(shí)候需要步 驟324。在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果膜厚度相對(duì)于均方根粗糙度的比小 于3,則可以假設(shè)軸承表面之間存在物理接觸,并應(yīng)當(dāng)執(zhí)行步驟324。 其它公式或因子可以用于確定是否需要步驟324。在下一步326中計(jì) 算總的力。總的力是軸承表面上流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力的總 和。
過程中的下一步328是詢問力是否收斂。為了確定力是否收斂, 在軸承表面上流體動(dòng)力接觸壓力和粗糙面接觸壓力結(jié)合并與先前迭代 中所計(jì)算的進(jìn)行比較。如果在步驟328中力不收斂,則計(jì)算機(jī)模型前 進(jìn)到步驟316,對(duì)油脂粘性進(jìn)行調(diào)整并修改密度,并且可以根據(jù)需要 重復(fù)步驟316至328多次,直到在步驟328中力收斂。
一旦在步驟328中力收斂,則計(jì)算機(jī)模型就移動(dòng)到步驟330,在 那里計(jì)算裝填角。裝填角是總的力的垂直與水平分量之間的角度。裝 填角可以通過確定總的力的矢量分量來計(jì)算。如果裝填角不收斂,則 過程繼續(xù)到步驟334,在那里調(diào)整裝填角。然后,過程返回步驟316, 并且重復(fù)步驟316至332,直到連續(xù)的迭代之間的裝填角的差在給定 容差內(nèi)。
如果裝填角在容差內(nèi),則過程繼續(xù)到步驟336,在那里計(jì)算溫度。 使用能量公式計(jì)算由軸承產(chǎn)生的熱。熱可以通過潤(rùn)滑劑與固體表面的 相互作用、潤(rùn)滑劑本身及通過接觸摩擦來產(chǎn)生。在下一步338中,該 過程確定溫度是否收斂。這是通過比較連續(xù)的迭代中所計(jì)算的溫度實(shí) 現(xiàn)的。在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果溫度差在預(yù)設(shè)容差內(nèi),則過程返回步 驟316。在重復(fù)步驟316至338之前,裝填角或偏心率比或其它輸入 可以修改,直到溫度收斂。這完成了過程中軸承設(shè)計(jì)分析部分的第一 次迭代。
返回圖3,總體鉆頭設(shè)計(jì)處理中的下一步146是確定是否有足夠 的負(fù)荷支撐。來自步驟108的結(jié)果用于在步驟146中確定對(duì)于所施加 的重量和負(fù)荷,是否有足夠的負(fù)荷支撐。如果確定負(fù)荷可以在設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)支撐,則計(jì)算機(jī)模型移動(dòng)到步驟148。
如果沒有足夠的負(fù)荷支撐,則計(jì)算機(jī)模型將移動(dòng)到步驟150,并 且例如紋理(textured)表面的表面特征可以應(yīng)用到一個(gè)或單個(gè)軸承 表面。應(yīng)用紋理表面造成在制造處理中需要一個(gè)附加步驟,因此優(yōu)選 的是不需要任何紋理表面。但是,如果在步驟146中沒有足夠的負(fù)荷 支撐,則應(yīng)用紋理表面可以提供附加的提升力。將應(yīng)用表面紋理的表 面可以是合金鋼,例如包含0.15。/oC、 0.8%Mn、 0.55%Cr、 0.85%Ni 或0.25%Mo或者其它類似材料的合金鋼。
通過在刀具31 (圖1)的旋轉(zhuǎn)過程中保留一些潤(rùn)滑,紋理表面將 增強(qiáng)潤(rùn)滑。具有紋理表面可以在滑動(dòng)表面之間提供比使用光滑表面的 地鉆現(xiàn)有技術(shù)更低的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。此外,具有紋理表面可以降低工 作溫度,由此減少熱疲勞裂縫集結(jié)。根據(jù)最近的調(diào)查研究工作,紋理 表面具有減少在啟動(dòng)和停止?fàn)顟B(tài)下所產(chǎn)生的損壞的益處。它既充當(dāng)潤(rùn) 滑劑儲(chǔ)藏器,來幫助潤(rùn)滑表面,又充當(dāng)阻尼器,吸收沖擊負(fù)荷。表面 紋理可以采取平行凹槽,不同形狀、大小和深度凹痕陣列及不同形狀、 大小和高度的微粗糙體的形式。
返回圖l,軸承套筒41具有對(duì)應(yīng)于內(nèi)嵌物27的軸承面57的軸承 面55。紋理表面可以應(yīng)用到軸承面55或57中的至少一個(gè),而且也可 以應(yīng)用到內(nèi)嵌物21和23、推力肩37及推力墊圏39。
在一種實(shí)施方式中,在已經(jīng)添加紋理后,如由步驟152所指示的, 如果步驟150的迭代次數(shù)很少,例如3次或更少,則計(jì)算機(jī)模型返回 步驟108并重復(fù)步驟110至146??蛇x地,如果步驟150迭代次數(shù)很 多,例如超過3次,且計(jì)算機(jī)模型仍然發(fā)現(xiàn)沒有足夠的負(fù)荷支撐,則 計(jì)算機(jī)模型移動(dòng)到步驟154并改變軸承尺寸。在一種實(shí)施方式中,如 由步驟156所指示的,如果步驟154的迭代超過2次,則計(jì)算機(jī)模型 返回步驟104并重復(fù)步驟104至146。如果步驟154例如迭代2次或 者更少,則計(jì)算機(jī)模型返回步驟106并重復(fù)步驟106至146。在可選 實(shí)施方式中,各種次數(shù)的迭代可以使計(jì)算機(jī)模型采取可選的步驟或者 可以改變下一次迭4戈的其它尺度(dimension)。在步驟146中已經(jīng)確定有足夠的負(fù)荷支撐后,用于制造鉆頭的處 理由步驟158定義,且鉆頭由步驟160制造。
盡管本發(fā)明實(shí)施方式已經(jīng)在完整功能性方法的情況下進(jìn)行了描 述,但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到,本發(fā)明的機(jī)制和/或其各方面能夠以
各種形式指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的形式分發(fā),其中指令用于在處理器 等上執(zhí)行,而且不管用于實(shí)際執(zhí)行分發(fā)的信號(hào)承載介質(zhì)的特定類型是 什么,本發(fā)明都可以同等地應(yīng)用,指出這點(diǎn)是很重要的。計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)的例子包括例如只讀存儲(chǔ)器(ROM)或電可擦除只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)的非易失性、硬編碼類型介質(zhì),例如軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器 和CD-ROM的可記錄類型介質(zhì)及例如數(shù)字和模擬通信鏈路的發(fā)射類 型介質(zhì)。
本發(fā)明的實(shí)施方式將包括用于優(yōu)化地鉆鉆頭設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)。例如,根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括一組指令, 當(dāng)該組指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí),使計(jì)算機(jī)接受初始設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入、執(zhí) 行一系列將返回地鉆鉆頭最優(yōu)設(shè)計(jì)的計(jì)算。在可選實(shí)施方式中,當(dāng)該 組指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí),將使計(jì)算機(jī)執(zhí)行一 系列將提供對(duì)地鉆鉆頭中 軸承最優(yōu)設(shè)計(jì)的計(jì)算。
更具體而言,返回圖3,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括一組指令,當(dāng)該組 指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí),將執(zhí)行一 系列求解穩(wěn)態(tài)混合熱彈流體動(dòng)力學(xué)計(jì) 算機(jī)模型的計(jì)算,所述穩(wěn)態(tài)混合熱彈流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模型考慮表面 粗糙度、粗糙面接觸、表面熱彈性變形、潤(rùn)滑劑粘性的溫度-壓力依賴 特性及系統(tǒng)幾何約束的影響,其中系統(tǒng)幾何約束如軸支撐和軸承表面 之間的失準(zhǔn)。
首先,這組指令將使計(jì)算機(jī)在步驟102中接受應(yīng)用參數(shù)的輸入, 所述應(yīng)用參數(shù)例如鉆頭上的重量、鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度、巖層的耐壓強(qiáng)度 及施加到鉆頭上的負(fù)荷。在優(yōu)選實(shí)施方式中,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)將包含 最常用的應(yīng)用參數(shù)或者優(yōu)選應(yīng)用參數(shù)庫,而且這組指令將使得能夠從 這個(gè)庫中選擇特定的應(yīng)用參數(shù)。在可選實(shí)施方式中,這組指令將使得 計(jì)算機(jī)能夠接受手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用參數(shù)。在下一步104中,這組指令將使計(jì)算機(jī)接受用于鉆頭材料及用于 這種材料的相關(guān)屬性的輸入,所述材料包括用于軸承和軸頸的材料。 在優(yōu)選實(shí)施方式中,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)將包含常用材料的材料屬性庫, 而且這組指令將使得能夠從該庫中選擇材料。在這種實(shí)施方式中,這 組指令將使得與所選材料關(guān)聯(lián)的材料屬性被計(jì)算機(jī)接受。在可選實(shí)施 方式中,這組指令將使得計(jì)算機(jī)能夠接受手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)中的材料 和材料屬性。
接下來,參考步驟106,這組指令將使計(jì)算機(jī)接受對(duì)定義軸承布 局的基本設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入。其可以包括例如鉆頭直徑、鉆頭總體長(zhǎng)度、 切割表面類型、軸承直徑、軸承長(zhǎng)度及軸承表面粗糙度的信息。在優(yōu) 選實(shí)施方式中,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)將包含用于各種標(biāo)準(zhǔn)尺寸鉆頭的慣用 設(shè)計(jì)庫及與那些鉆頭設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)的全部所需的軸承設(shè)計(jì)參數(shù),并且這組 指令將使得能夠從該庫中選擇設(shè)計(jì)。在這種實(shí)施方式中,這組指令將 使得與所選鉆頭關(guān)聯(lián)的軸承設(shè)計(jì)被計(jì)算機(jī)接受。在可選實(shí)施方式中, 這組指令將使得計(jì)算機(jī)能夠接受手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)中的定義軸承布局 的軸承設(shè)計(jì)參數(shù)。在完成了步驟102至106后,在步驟108中執(zhí)行軸 承設(shè)計(jì)分析。
圖4示出了步驟108的軸承設(shè)計(jì)分析的實(shí)施方式。在該步驟108 中,這組指令將使計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行優(yōu)化地鉆鉆頭軸承部分的計(jì) 算。在第一步110中,這組指令使計(jì)算機(jī)接受系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入。系統(tǒng) 數(shù)據(jù)包括軸承部分的機(jī)械和熱屬性,例如材料屬性、潤(rùn)滑劑屬性和幾 何特征。
軸承部分的材料屬性可以包括例如選擇用來構(gòu)造鉆頭部件的材 料的彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)及其它物理屬性。在優(yōu)選實(shí)施
方式中,在步驟104中輸入的材料屬性將在步驟110中使用。可選地, 計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)將包含在步驟110中所用的常用材料的材料屬性庫, 并且這組指令將使得能夠從該庫中選擇材料。在這種實(shí)施方式中,這 組指令將使與所選材料關(guān)聯(lián)的材料屬性被計(jì)算機(jī)接受。在可選實(shí)施方 式中,這組指令將使得計(jì)算機(jī)能夠接受手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)中的材料和材料屬性。
步驟110中的潤(rùn)滑劑屬性可以包括例如所使用潤(rùn)滑劑的粘性參
數(shù)、密度參數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱及其它屬性。在優(yōu)選實(shí)施方式中,計(jì) 算機(jī)可讀介質(zhì)將包含常用潤(rùn)滑劑及關(guān)聯(lián)的潤(rùn)滑劑屬性的庫,并且這組 指令將使得能夠從該庫中選擇潤(rùn)滑劑。在這種實(shí)施方式中,這組指令 將使得與所選潤(rùn)滑劑關(guān)聯(lián)的潤(rùn)滑劑屬性被計(jì)算機(jī)接受。在可選實(shí)施方 式中,這組指令將使得計(jì)算機(jī)能夠接受手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)中的潤(rùn)滑劑 屬性。
步驟IIO中的幾何數(shù)據(jù)可以包括例如鉆頭的直徑、鉆頭的總體長(zhǎng)
度、切割表面的類型、軸承的直徑、軸承的長(zhǎng)度及軸承表面的粗糙度。
在優(yōu)選實(shí)施方式中,這組指令將使計(jì)算機(jī)接受來自步驟106的定義軸 承布局的設(shè)計(jì)參數(shù),以在步驟110中使用??蛇x地,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì) 將包含標(biāo)準(zhǔn)配置和關(guān)聯(lián)的幾何數(shù)據(jù)的庫,并且這組指令將使得能夠從 該庫中選擇配置。在這種實(shí)施方式中,這組指令將使與所選配置關(guān)聯(lián) 的幾何數(shù)據(jù)被計(jì)算機(jī)接受。在可選實(shí)施方式中,這組指令將使得計(jì)算 機(jī)能夠接受手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)中的用于軸承部分的數(shù)據(jù)。
在系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入后,這組指令將使計(jì)算機(jī)在步驟112中構(gòu)成用于 將來計(jì)算的數(shù)據(jù)庫。對(duì)于將來的計(jì)算,軸頸和軸承的彈性與熱彈性影
:關(guān)系都是需要的。彈性矩陣提供了施加到軸承的力^位移之間-k
系。熱彈性矩陣提供了元件溫度上升與由于熱膨脹造成的位移之間的 關(guān)系。在優(yōu)選實(shí)施方式中,這組指令使彈性和熱彈性矩陣根據(jù)步驟110 中輸入的系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成,而不需要進(jìn)一步的輸入。
半經(jīng)驗(yàn)粗糙面接觸公式涉及粗糙軸承表面之間的物理相互作用。 該半經(jīng)驗(yàn)粗糙面接觸公式用于關(guān)聯(lián)兩個(gè)匹配表面之間的間隙和接觸面 積及接觸壓力。在優(yōu)選實(shí)施方式中,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)將包含標(biāo)準(zhǔn)表面 及與那些標(biāo)準(zhǔn)表面關(guān)聯(lián)的粗糙面接觸公式的庫,并且這組指令將使得 能夠從該庫中選擇標(biāo)準(zhǔn)表面。在這種實(shí)施方式中,這組指令將使得與 所選標(biāo)準(zhǔn)表面關(guān)聯(lián)的適當(dāng)粗糙面接觸公式被計(jì)算機(jī)接受。在可選實(shí)施方式中,這組指令將使得計(jì)算機(jī)能夠接受手動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)中的用于 軸承表面的粗糙面接觸公式。
接下來,這組公式將使計(jì)算機(jī)接受在處理下一步114中所需的數(shù) 據(jù)輸入。這種數(shù)據(jù)可以包括每個(gè)軸承上的預(yù)期負(fù)荷、旋轉(zhuǎn)部分的速度、 軸承間隙、軸承表面的表面參數(shù)、運(yùn)行過程中的環(huán)境溫度分布及軸頸 與軸承中心線之間的失準(zhǔn)角。在優(yōu)選實(shí)施方式中,這組指令使得計(jì)算 機(jī)能夠接受來自步驟102的應(yīng)用參數(shù),例如鉆頭上的重量、鉆頭的旋 轉(zhuǎn)速度、巖層的耐壓強(qiáng)度及估計(jì)的側(cè)部負(fù)荷,用于計(jì)算作用到每個(gè)軸 承上的負(fù)荷。這組指令將使計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的溫度分布計(jì)算當(dāng)前的環(huán) 境溫度。
這組指令將使得計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)性表面參數(shù),例如 軸承表面的均方根平均和自相關(guān)長(zhǎng)度。此外,這組指令還可以使計(jì)算 機(jī)應(yīng)用該統(tǒng)計(jì)性表面參數(shù)來表明軸承表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑的影響,或者 可選地,利用如基于有限元的具有實(shí)面(with real surface )的計(jì)算機(jī) 模型的確定性方法來進(jìn)行潤(rùn)滑分析。該確定性方法可以允許更高的精 度,但需要更多的計(jì)算時(shí)間。
轉(zhuǎn)向圖2,示意性并在很大程度上夸大地示出了軸頸51與錐形軸 承53中心線之間的失準(zhǔn)角a。該失準(zhǔn)角是制造與組裝過程中幾何不對(duì) 準(zhǔn)及軸頸51偏斜的結(jié)果。在一種實(shí)施方式中,這組指令使計(jì)算機(jī)根據(jù) 步驟102、 104、 106、 IIO和112中輸入的信息計(jì)算該失準(zhǔn)角。更特別 地,這組指令使計(jì)算機(jī)使用來自步驟102的所估計(jì)的鉆頭上的負(fù)荷、 步驟106和110中所提供的軸承布局與幾何數(shù)據(jù)來計(jì)算軸頸與軸承中 心線之間的角度失準(zhǔn)。
返回圖4,在步驟114中,這組指令使計(jì)算機(jī)接受對(duì)偏心率比和 裝填角的初始猜想。偏心率是軸承中心線與穩(wěn)態(tài)軸頸中心線之間的偏 離。偏心率比是偏心率與軸承間隙之間的比,并且這組指令可以使計(jì) 算機(jī)利用來自步驟110的幾何數(shù)據(jù)估計(jì)偏心率比。
在下一步116中,這組指令使計(jì)算機(jī)計(jì)算潤(rùn)滑劑粘性和密度。潤(rùn) 滑劑的密度和粘性都可以是溫度和壓力的函數(shù)。在給定溫度和壓力下
27確定粘性和密度所需的參數(shù)是在步驟IIO輸入到計(jì)算機(jī)模型中的。潤(rùn)
滑劑的粘性將直接影響軸頸和推力軸承的負(fù)荷能力。在一種實(shí)施方式
中,這組指令使計(jì)算機(jī)通過估計(jì)由Bair ( S.Bair, "The High Pressure Rheology of a Soap-thickened Grease" , Tribology Transactions, 37 (1994) 646-650 )提出的經(jīng)驗(yàn)粘性-溫度-壓力關(guān)系來計(jì)算粘性
" ,c2+(r-J
其中下標(biāo)g代表潤(rùn)滑劑的玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn),T是溫度,d和C2是基 本油系數(shù),而F是基本油參數(shù)。
在一種實(shí)施方式中,這組指令使計(jì)算機(jī)假設(shè)潤(rùn)滑劑具有等于潤(rùn)滑 劑膜平均粘性的均勻粘性。在可選實(shí)施方式中,這組指令使計(jì)算機(jī)假 設(shè)粘性跨潤(rùn)滑劑膜厚度有變化。
這組指令使計(jì)算機(jī)在下一步118中計(jì)算熱彈性變形與膜厚度。軸 承和軸頸表面的變形可以表示為彈性和熱變形的總和。因?yàn)檩S承溫度 是相對(duì)均勻的,所以軸承的熱變形可以由以下熱膨脹公式表示
(0, AT) = ar A7>(1 + £ cos(0 — p))
其中Ar是軸承中的平均溫度增加,《,7>的乘積是間隙變化,而 l + "os(0-p)是當(dāng)給定偏心率比s時(shí)在不同圓周位置的調(diào)整。c^是軸承
的熱變形,而^是熱膨脹系數(shù),r是軸承半徑,e是圓周坐標(biāo),而q)
是軸承或裝填角。
這組指令可以使計(jì)算機(jī)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)描述的影響函數(shù)方法來計(jì)算軸頸熱變形、軸頸彈 性變形及軸承彈性變形。這組指令可以使計(jì)算機(jī)計(jì)算作為以上熱變形 公式的結(jié)果和通過影響函數(shù)方法得到的彈性變形結(jié)果的總和的軸承的總變形。這組指令可以使計(jì)算機(jī)計(jì)算作為熱和彈性變形的總和的軸頸 的總變形,其中熱和彈性變形兩者都是利用影響函數(shù)方法計(jì)算的???的膜厚度是兩個(gè)粗糙表面之間的平均間隙。這組指令可以使計(jì)算機(jī)計(jì) 算作為額定間隙與表面變形的總和的該平均間隙,其中額定間隙包括 軸頸和軸承之間的角度失準(zhǔn)。這組指令可以使計(jì)算機(jī)如下計(jì)算總的膜
厚度hT:
<formula>formula see original document page 29</formula>
其中c是平均間隙,e是偏心率,(p是軸承或裝填角,oi是失準(zhǔn) 角,z是寬度坐標(biāo),/是軸承長(zhǎng)度,而^和^分別是軸頸與軸承的熱彈
性變形。
接下來,在步驟120中這組指令可以使計(jì)算機(jī)通過求解平均 Reynolds公式來計(jì)算流體動(dòng)力壓力,其中Reynolds公式描述了流體 動(dòng)力壓力與潤(rùn)滑劑膜厚度之間的關(guān)系
<formula>formula see original document page 29</formula>
其中A和么是壓力流因子,而A是剪切流因子。下標(biāo)B指軸承, R是半徑,p是密度,h是柔量,p是壓力,e是圓周坐標(biāo),z是寬度 坐標(biāo),hT是總的膜厚度,U是軸承速度,而o是粗糙度的均方根。在 一種實(shí)施方式中,這組指令可以使用Reynolds邊界條件來求解這個(gè)平 均Reynolds公式。
處理中到目前為止,這組指令還沒有提供任何迭代或可選的順 序。這里,在處理中,由這組指令給出了可選路徑。根據(jù)流體動(dòng)力壓 力的計(jì)算,通過比較從連續(xù)的迭代所計(jì)算的壓力,在步驟122中確定 壓力是否收斂。如在這組指令中所指示的,當(dāng)連續(xù)的迭代的值在給定 容差之內(nèi)時(shí),認(rèn)為該壓力收斂了。這組指令可以將該容差設(shè)置成例如 在10-5到10"內(nèi)。如果壓力收斂,則計(jì)算機(jī)模型繼續(xù)到步驟124。在 一種實(shí)施方式中,如果在步驟122中初始?jí)毫土黧w動(dòng)力壓力不在選 定的容差之內(nèi),則這組指令前進(jìn)到步驟123,在那里這組指令引入或 調(diào)整松弛因子,然后這組指令返回步驟120,在那里這組指令使計(jì)算機(jī)重新計(jì)算流體動(dòng)力壓力。松弛因子是用于幫助使發(fā)散或緩慢收斂的 迭代處理收斂的值。可選地,這組指令可以使輸入^C修改。這組指令
可以要求步驟120至123根據(jù)需要重復(fù)很多次,以使得壓力收斂在選 定容差內(nèi)。
如果在步驟122中壓力收斂,則這組指令繼續(xù)到步驟124并使計(jì) 算機(jī)計(jì)算粗糙面接觸壓力。粗糙面相互作用是混合潤(rùn)滑中的一個(gè)主要 特征,其中粗糙面分擔(dān)施加到軸承的一部分正常負(fù)荷。半經(jīng)驗(yàn)粗糙面
系。該平均間隙是計(jì)算粗糙面接觸負(fù)荷所需的。為此可以由這組指令 使用的一種這樣的粗糙表面接觸模型是由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)開發(fā)的。
但是,如果計(jì)算機(jī)確定在軸承表面之間沒有物理接觸,則不需要 步驟124。這組指令可以要求計(jì)算機(jī)使用膜厚度相對(duì)于均方根粗糙度 的比率來確定什么時(shí)候需要步驟124。在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果計(jì)算 機(jī)確定膜厚度相對(duì)于均方根粗糙度的比小于3,則計(jì)算機(jī)可以假設(shè)軸 承表面之間有物理接觸,并應(yīng)當(dāng)執(zhí)行步驟124。其它公式或因子也可 以由這組指令和計(jì)算機(jī)用于確定是否需要步驟124。
在下一步126中,這組指令使計(jì)算機(jī)計(jì)算總的力。總的力是在軸 承表面上流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力的結(jié)合的總和。在下一步 128中,這組指令使計(jì)算機(jī)確定力是否平衡。為了確定力是否平衡, 這組指令使計(jì)算機(jī)將軸承表面上的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力結(jié) 合并與先前相同計(jì)算的迭代比較。如果在步驟128中計(jì)算機(jī)確定力不 平衡,則這組指令前進(jìn)到步驟116,在步驟116中對(duì)所計(jì)算的粘性進(jìn) 行調(diào)整,并且可以根據(jù)需要重復(fù)步驟116至128多次,直到在步驟128 中計(jì)算機(jī)確定力收斂。
一旦在步驟128中計(jì)算機(jī)確定力收斂,則這組指令就移動(dòng)到步驟 130,在那里這組指令使計(jì)算機(jī)計(jì)算裝填角。裝填角是總的力的垂直與水平分量之間的角度。裝填角可以通過確定總的力的矢量分量來計(jì)算。
在下一步132中,這組指令使計(jì)算機(jī)確定裝填角是否收斂。這是通過 使計(jì)算機(jī)比較步驟114中所估計(jì)的裝填角與步驟130中計(jì)算的裝填角 來實(shí)現(xiàn)的。如果裝填角沒有收斂到給定容差內(nèi),則這組指令繼續(xù)到步 驟134,在那里這組指令使計(jì)算機(jī)調(diào)整裝填角。然后,這組指令返回 步驟116,并且重復(fù)步驟116至132,直到裝填角收斂到給定容差內(nèi)。
如果裝填角收斂,則過程繼續(xù)到步驟136,在那里這組指令使計(jì) 算機(jī)確定負(fù)荷是否收斂。這是通過由計(jì)算機(jī)比較步驟126中計(jì)算的力 與步驟114中作為輸入數(shù)據(jù)提供的負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)的。如果計(jì)算機(jī)確定負(fù) 荷的差不在給定容差內(nèi),則這組指令繼續(xù)到步驟138,在那里這組指 令使計(jì)算機(jī)調(diào)整偏心率比。然后,這組指令返回步驟116,并且重復(fù) 步驟116至136,直到計(jì)算機(jī)確定負(fù)荷的差在給定容差內(nèi)。
如果計(jì)算機(jī)確定負(fù)荷的差在給定容差內(nèi),則這組指令繼續(xù)在步驟 140中使計(jì)算機(jī)求解溫度。這組指令使計(jì)算機(jī)使用能量公式來計(jì)算在 軸承中產(chǎn)生的熱量。熱可能通過潤(rùn)滑劑與固體表面的相互作用、潤(rùn)滑 劑本身及通過接觸摩擦而產(chǎn)生。
接下來,這組指令使計(jì)算機(jī)在步驟142中確定溫度是否收斂。這 是通過利用所計(jì)算的熱傳送而平衡在步驟140中確定的熱生成來確定 的。在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果計(jì)算機(jī)確定產(chǎn)生和傳送的熱量不平衡, 則這組指令返回步驟116。在重復(fù)步驟116至142之前,裝填角或偏 心率或其它輸入可以由計(jì)算機(jī)修改,直到溫度收斂。這完成了軸承設(shè) 計(jì)分析的第一次迭代。
軸承設(shè)計(jì)分析的可選指令集在圖5中示出。步驟110至134與第 一實(shí)施方式中的相同。但是,在步驟132中計(jì)算機(jī)確定裝填角收斂之 后,計(jì)算機(jī)接下來在步驟236中求解溫度。這組指令使計(jì)算機(jī)使用能 量公式來計(jì)算由軸承產(chǎn)生的熱量。熱可能通過潤(rùn)滑劑與固體表面的相 互作用、潤(rùn)滑劑本身及通過接觸摩擦而產(chǎn)生。接下來,這組指令使計(jì) 算機(jī)在步驟238中確定溫度是否收斂。這是由計(jì)算機(jī)通過比較在連續(xù) 的迭代中所計(jì)算的溫度來實(shí)現(xiàn)的。在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果計(jì)算機(jī)確定溫度差在預(yù)設(shè)的容差內(nèi),則這組指令返回步驟116。在重復(fù)步驟116 至132和236至238之前,這組指令可以使計(jì)算機(jī)修改裝填角或偏心 率或其它輸入,直到溫度收斂。
如果計(jì)算機(jī)確定產(chǎn)生和傳送的熱量平衡,則這組指令繼續(xù)到步驟 240,在那里通過比較在步驟126中所計(jì)算的力和在步驟114中作為輸 入數(shù)據(jù)提供的負(fù)荷,計(jì)算機(jī)確定負(fù)荷是否收斂。如果計(jì)算機(jī)確定負(fù)荷 的差不在給定的容差內(nèi),則這組指令繼續(xù)到步驟242,在那里調(diào)整偏 心率比。然后,這組指令返回步驟116,并且重復(fù)步驟116至132及 236至240,直到計(jì)算機(jī)確定負(fù)荷的差在給定容差內(nèi)。如果負(fù)荷收斂, 則完成了軸承設(shè)計(jì)分析過程中的第 一次迭代。
軸承設(shè)計(jì)分析的另一種可選過程在圖6中示出。步驟110和112 與前面兩種實(shí)施方式中的相同。但是,不要求在步驟314中輸入負(fù)荷, 相反,這組指令要求提供偏心率比。這組指令接下來將使計(jì)算機(jī)接受 在處理的下一步驟314中所要求的數(shù)據(jù)輸入。這種數(shù)據(jù)可以包括所預(yù) 期的每個(gè)軸承上的負(fù)荷、旋轉(zhuǎn)部分的速度、軸承間隙、軸承表面的表 面參數(shù)、運(yùn)行過程中的環(huán)境溫度分布及軸頸與軸承的中心線之間的失 準(zhǔn)角。在優(yōu)選實(shí)施方式中,這組指令使得計(jì)算機(jī)能夠接受來自步驟102 的應(yīng)用參數(shù),例如鉆頭上的重量、鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度、巖層的耐壓強(qiáng)度、 以及所估計(jì)的側(cè)部負(fù)荷,所述應(yīng)用參數(shù)用于計(jì)算作用到每個(gè)軸承上的 負(fù)荷。這組指令將使計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的溫度分布計(jì)算當(dāng)前的環(huán)境溫度。
這組指令可以使計(jì)算機(jī)確定性地或者統(tǒng)計(jì)性地計(jì)算軸承表面的 表面參數(shù)。統(tǒng)計(jì)性參數(shù)可能是這組指令處理軸承表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑的 影響所要求的。可選地,確定性方法,例如基于有限元的針對(duì)局部濃 縮的模型,可能是這組指令進(jìn)行潤(rùn)滑分析所要求的。該確定性方法可 以允許更大的精度,但要求更多的計(jì)算時(shí)間。
轉(zhuǎn)向圖2,示意性并在很大程度上夸大地示出了軸頸51與錐形軸 承53的角度失準(zhǔn)a。該失準(zhǔn)角a是制造與組裝過程中幾何不對(duì)準(zhǔn)及軸 頸51偏斜的結(jié)果。在優(yōu)選實(shí)施方式中,該失準(zhǔn)角不是作為特定數(shù)值輸 入的,而是由計(jì)算機(jī)模型根據(jù)步驟102、 104、 106、 110和112中提供的信息計(jì)算的。更特別地,來自步驟102的所估計(jì)的鉆頭上的負(fù)荷、 步驟106和110中所提供的軸承布局與幾何數(shù)據(jù)、步驟104和110的 材料屬性及來自步驟112的變形關(guān)系可以用于計(jì)算軸頸與軸承之間的 角度失準(zhǔn)?;氐綀D6,這組指令使計(jì)算機(jī)接受對(duì)偏心率比和裝填角的 初始猜測(cè)的輸入。
在下一步中,在步驟316中這組指令使計(jì)算機(jī)計(jì)算潤(rùn)滑劑粘性和 密度。潤(rùn)滑劑的密度和粘性都可以是溫度和壓力的函數(shù)。在給定溫度 和壓力下確定粘性和密度所需的參數(shù)是在步驟310輸入到計(jì)算機(jī)中 的。潤(rùn)滑劑的粘性將直接影響軸頸和推力軸承的負(fù)荷能力。在一種實(shí) 施方式中,粘性是由計(jì)算機(jī)利用由Bair ( S.Bair, "The High Pressure Rheology of a Soap-thickened Grease" ,Tribology Transactions, 37
(1994) 646-650 )提出的經(jīng)驗(yàn)粘性-溫度-壓力關(guān)系計(jì)算的
,-2.3C,(r-r )f、
//=//p exp -
""、c2+(r-r》尸乂
其中下標(biāo)g代表潤(rùn)滑劑的玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn),T是溫度,d和C2是基 本油系數(shù),而F是基本油參數(shù)。
在一種實(shí)施方式中,這組指令使計(jì)算機(jī)假設(shè)潤(rùn)滑劑具有等于潤(rùn)滑 劑膜的平均粘性的均勻粘性。在可選實(shí)施方式中,這組指令使計(jì)算機(jī) 假設(shè)粘性跨潤(rùn)滑劑膜的厚度變化。
這組指令使計(jì)算機(jī)在下一步318中計(jì)算熱彈性變形與膜厚度。軸 承和軸頸表面的變形可以由計(jì)算機(jī)計(jì)算為彈性和熱變形的總和。因?yàn)?軸承溫度是相對(duì)均勻的,所以軸承的熱變形可以由計(jì)算機(jī)利用以下熱 膨脹公式表示
c sr (《厶r) = ar A7>(1 + £ cos(P - p))
其中Ar是軸承中的平均溫度增加,《一7>的乘積是間隙變化,而 l + "os(^-p)是當(dāng)給定偏心率比f時(shí)在不同圓周位置的調(diào)整。^V是軸承 的熱變形,而&是熱膨脹系數(shù),r是軸承半徑,e是圓周坐標(biāo),而(p
是軸承或裝填角。
這組指令可以使計(jì)算機(jī)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)描述的影響函數(shù)方法計(jì)算軸頸熱變形、軸頸彈性 變形及軸承彈性變形。軸承的總變形由計(jì)算機(jī)計(jì)算為以上熱變形公式 的結(jié)果和通過影響函數(shù)方法得到的彈性變形結(jié)果的總和。軸頸的總變 形由計(jì)算機(jī)計(jì)算為熱變形和彈性變形的總和,這兩者都是利用影響函 數(shù)方法計(jì)算的。
總的膜厚度是兩個(gè)粗糙表面之間的平均間隙。這組指令將使計(jì)算 機(jī)將平均間隙計(jì)算為額定間隙與表面熱彈性變形的總和,其中額定間 隙包括軸頸和軸承之間的角度失準(zhǔn)。這組指令將使計(jì)算機(jī)如下計(jì)算總 的膜厚度hT:
f /、
Ar = c + e cos(夕一+ a z——cos(6 —+ <^ + <5fl
、
其中c是平均間隙,e是偏心率,cp是軸承或裝填角,a是失準(zhǔn) 角,z是寬度坐標(biāo),/是軸承長(zhǎng)度,而&和&分別是軸頸與軸承表面的
熱彈性變形。
接下來,在步驟320中,這組指令將使計(jì)算機(jī)通過求解平均 Reynolds公式來計(jì)算流體動(dòng)力壓力,其中Reynolds公式描述了流體 動(dòng)力壓力與潤(rùn)滑劑膜厚度之間的關(guān)系
3
"77 i 盧
3 + 一
6^7
械
其中A和A是壓力流因子,而A是剪切流因子。下標(biāo)B指軸承, R是半徑,p是密度,h是柔量,p是壓力,e是圓周坐標(biāo),z是寬度
坐標(biāo),hT是總的膜厚度,U是軸承速度,而O是粗糙度的均方根。在
一種實(shí)施方式中,Reynolds邊界條件可被計(jì)算機(jī)用于解這個(gè)平均 Reynolds公式。
處理中到目前為止,還沒有給出迭代或可選的順序。這里,在處理中,由這組指令給出可選路徑。根據(jù)流體動(dòng)力壓力的計(jì)算,這組指
令使計(jì)算機(jī)在步驟322中確定壓力是否已經(jīng)收斂。這是通過由計(jì)算機(jī) 比較根據(jù)連續(xù)的迭代所計(jì)算的壓力來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)連續(xù)的迭代的值在給 定容差之內(nèi)時(shí),認(rèn)為該壓力已經(jīng)收斂。由這組指令指定的容差可以例 如在l(T5到l(T6中。如果計(jì)算機(jī)確定壓力收斂,則這組指令繼續(xù)到步 驟324。在一種實(shí)施方式中,如果在連續(xù)的迭代中由計(jì)算機(jī)所計(jì)算的 流體動(dòng)力壓力的差不在步驟322中的預(yù)定容差之內(nèi),則這組指令前進(jìn) 到步驟323,在那里這組指令使計(jì)算機(jī)調(diào)整或引入松弛因子,并且這 組指令返回步驟320,在那里重新計(jì)算流體動(dòng)力壓力。松弛因子是用 于幫助使發(fā)散或緩慢收斂的迭代處理收斂的值,是在計(jì)算機(jī)代碼中預(yù) 定的??蛇x地,其它輸入也可以由計(jì)算機(jī)修改??梢愿鶕?jù)需要重復(fù)步 驟320至323多次,以使壓力收斂在選定容差內(nèi)。
如果在步驟322中壓力收斂,則這組指令繼續(xù)到步驟324,并且 計(jì)算機(jī)計(jì)算粗糙面接觸壓力。粗糙面相互作用是混合潤(rùn)滑中的 一個(gè)主 要特征,其中接觸的粗糙面分擔(dān)一部分施加到軸承上的正常負(fù)荷。半
均間隙之間的關(guān)系。該平均間隙是計(jì)算粗糙面接觸負(fù)荷所需的。為此 這組指令可以使用的一種這樣的粗糙表面接觸模型是由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)開發(fā)的。
但是,如果計(jì)算機(jī)確定在軸承表面之間沒有物理接觸,則不需要 步驟324。膜厚度相對(duì)于均方根粗糙度的比率可被這組指令和計(jì)算機(jī) 用于確定什么時(shí)候需要步驟324。在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果計(jì)算機(jī)確 定膜厚度相對(duì)于均方根粗糙度的比小于3,則可以假設(shè)軸承表面之間 有物理接觸,并且計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)執(zhí)行步驟324。其它公式或因子也可以 被這組指令用于確定是否需要步驟324。
在下一步326中,這組指令使計(jì)算機(jī)計(jì)算總的力??偟牧κ禽S承 表面上流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力結(jié)合的總和。在下一步328中,這組指令使計(jì)算機(jī)詢問力是否收斂。為了確定 力是否收斂,計(jì)算機(jī)在軸承表面上結(jié)合流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓 力,并將此結(jié)果與先前迭代進(jìn)行比較。如果在步驟328中計(jì)算機(jī)確定 力不收斂,則這組指令前進(jìn)到步驟316,由計(jì)算機(jī)對(duì)油脂粘性和密度 進(jìn)行調(diào)整,而且可以根據(jù)需要重復(fù)步驟316至328多次,直到在步驟 328中力收斂。
一旦在步驟328中力收斂,則這組指令就移動(dòng)到步驟330,在那 里這組指令使計(jì)算機(jī)計(jì)算裝填角。裝填角是總的力的垂直與水平分量 之間的角度。裝填角可以由計(jì)算機(jī)通過確定總的力的矢量分量來計(jì)算。 如果裝填角不收斂,則這組指令繼續(xù)到步驟334,在那里由計(jì)算機(jī)調(diào) 整裝填角。然后,這組指令機(jī)返回步驟316,并且由計(jì)算機(jī)重復(fù)步驟 316至332,直到裝填角收斂到給定容差內(nèi)。
如果裝填角收斂到容差內(nèi),則這組指令繼續(xù)到步驟336,在那里 這組指令使計(jì)算機(jī)計(jì)算溫度。計(jì)算機(jī)使用能量公式來計(jì)算在軸承中產(chǎn) 生的熱。熱可能通過潤(rùn)滑劑與固體表面的相互作用、潤(rùn)滑劑本身及通 過接觸摩擦而產(chǎn)生。在下一步338中,這組指令使計(jì)算機(jī)確定溫度是 否收斂。這是由計(jì)算機(jī)通過比較連續(xù)的迭代中所計(jì)算的溫度實(shí)現(xiàn)的。 在優(yōu)選實(shí)施方式中,如果溫度差在預(yù)設(shè)的容差內(nèi),則這組指令返回步 驟316。在重復(fù)步驟316至338之前,裝填角或偏心率比或其它輸入 可以由計(jì)算機(jī)修改,直到溫度收斂。這完成了過程中軸承設(shè)計(jì)分析部 分的第一次迭代。
返回圖3,在下一步146中,這組指令使計(jì)算機(jī)確定是否有足夠 的負(fù)荷支撐。來自步驟108的結(jié)果被計(jì)算機(jī)用于在步驟146中確定對(duì) 于所施加的重量和負(fù)荷,是否有足夠的負(fù)荷支撐。如果計(jì)算機(jī)確定負(fù) 荷可以在設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)支撐,則這組指令移動(dòng)到步驟148。
如果沒有足夠的負(fù)荷支撐,則這組指令移動(dòng)到步驟150,并且這 組指令將使計(jì)算機(jī)將例如紋理表面的表面特征應(yīng)用到一個(gè)或多個(gè)軸承 表面。紋理表面可以提供附加的提升力。將應(yīng)用表面紋理的表面可以 是合金鋼,例如包含0.15%C、 0.8%Mn、 0.55%Cr、 0.85%Ni或0.25%Mo或者其它類似材料的合金鋼。
通過在刀具31 (圖1)的旋轉(zhuǎn)過程中保留一些潤(rùn)滑,紋理表面將 增強(qiáng)潤(rùn)滑。具有紋理表面可以在滑動(dòng)表面之間提供比使用平滑表面的 地鉆現(xiàn)有技術(shù)更低的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。此外,具有紋理表面可以降低工 作溫度,由此減少熱疲勞裂縫集結(jié)。根據(jù)最近的調(diào)查研究工作,紋理 表面具有減少在啟動(dòng)和停止?fàn)顟B(tài)下所產(chǎn)生的損壞的益處。它既充當(dāng)潤(rùn) 滑劑儲(chǔ)藏器,來幫助潤(rùn)滑表面,又充當(dāng)阻尼器,吸收沖擊負(fù)荷。表面 紋理可以采取平行凹槽,不同形狀、大小和深度凹痕陣列及不同形狀、 大小和高度微粗糙體的形式。
返回圖l,軸承套筒41具有對(duì)應(yīng)于內(nèi)嵌物27的軸承面57的軸承 面55。紋理表面可以凈皮計(jì)算機(jī)應(yīng)用到軸承面55或57中的至少一個(gè), 而且也可以被計(jì)算機(jī)應(yīng)用到內(nèi)嵌物21和23、推力肩37及推力墊圏39。
在一種實(shí)施方式中,在計(jì)算機(jī)添加紋理后,如由步驟152所指示 的,如果只對(duì)步驟150迭代例如3次或更少,則這組指令返回步驟108 并重復(fù)步驟110至146??蛇x地,如果已經(jīng)對(duì)步驟150迭代超過3次, 則這組指令移動(dòng)到步驟154并由計(jì)算機(jī)改變軸承尺寸。在一種實(shí)施方 式中,如由步驟156所指示的,如果已經(jīng)對(duì)步驟154迭代超過2次, 則這組指令返回步驟104并重復(fù)步驟104至146。如果對(duì)步驟154迭 代例如2次或者更少,則這組指令返回步驟106并重復(fù)步驟106至146。 在可選實(shí)施方式中,各種次數(shù)的迭代可以使這組指令采取可選的步驟 或者計(jì)算機(jī)可以改變下一次迭代的尺度。
在步驟146中計(jì)算機(jī)確定有足夠的負(fù)荷支撐后,這組指令使計(jì)算 機(jī)在步驟158中顯示設(shè)計(jì)優(yōu)化的結(jié)果并推薦制造鉆頭的處理。在一種 實(shí)施方式中,這組指令使結(jié)果傳送到計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng),并且由步 驟160制造鉆頭。
在附圖與說明書中,已經(jīng)公開了本發(fā)明的典型優(yōu)選實(shí)施方式,盡 管采用了特定的術(shù)語,但這些術(shù)語僅僅是為了描述的目的,而不是為 了限制的目的。具體參考所說明的這些實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了相當(dāng) 具體地描述。但是,很顯然在如前面說明書中所述和所附權(quán)利要求中 所描述的本發(fā)明主旨與范圍內(nèi),可以進(jìn)行各種修改與變化。
權(quán)利要求
1、一種設(shè)計(jì)地鉆鉆頭的方法,包括以下步驟(a)將用于多個(gè)地鉆鉆頭的初始設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到計(jì)算機(jī)中;(b)選擇用于鉆頭中軸承的模板設(shè)計(jì);(c)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù);及(d)重復(fù)步驟(b)和(c),直到地鉆鉆頭可以最優(yōu)地支撐預(yù)選的設(shè)計(jì)負(fù)荷。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法,其中步驟(b)包括以下步驟:(i) 將系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中;(ii) 計(jì)算軸承中的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力;(iii) 確定軸承中的力和力矩是否平衡;(iv) 如果軸承中的力或力矩不平衡,則調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù);及(v) 重復(fù)步驟(ii)至(iv),直到軸承產(chǎn)生的熱平衡了傳入和 傳出軸承系統(tǒng)的熱。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法,其中步驟(iii)還包括確定裝填 角是否收斂的步驟。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法,其中步驟(iv)包括調(diào)整裝填角。
5、 如權(quán)利要求2所述的方法,其中步驟(iv)包括調(diào)整軸承的 偏心率比。
6、 如權(quán)利要求2所述的方法,其中步驟(iv)包括修改軸承中 的潤(rùn)滑劑膜厚度。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法,其中步驟(c)還包括向軸承表面 添加表面紋理的步驟。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法,還包括使用數(shù)字模型來評(píng)估和確 定添加到軸承表面的表面紋理的^殳計(jì)。
9、 一種設(shè)計(jì)用于地鉆鉆頭的軸承的方法,包括以下步驟(a) 將用于多個(gè)軸承的軸承系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中;(b) 計(jì)算軸承中的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力;(c) 確定軸承中的力和裝填角是否收斂;(d) 如果軸承中的力或裝填角不收斂,則調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù);及(e) 重復(fù)步驟(b)至(d),直到由軸承產(chǎn)生的熱平衡了傳入 和傳出軸承系統(tǒng)的熱。
10、 如權(quán)利要求9所述的方法,其中步驟(b)包括以下步驟計(jì)算油脂粘性和油脂密度;計(jì)算軸承和軸頸的熱彈性與彈性變形;計(jì)算軸承中的潤(rùn)滑劑膜厚度;及計(jì)算跨軸承表面的流體動(dòng)力壓力分布;計(jì)算跨軸承表面的粗糙面接觸壓力。
11、 如權(quán)利要求9所述的方法,其中步驟(c)還包括調(diào)整裝填 角直到裝填角收斂的步驟。
12、 如權(quán)利要求9所述的方法,其中步驟(c)還包括調(diào)整偏心 率比直到力收斂的步驟。
13、 如權(quán)利要求9所述的方法,其中步驟(d)包括調(diào)整軸承中 的潤(rùn)滑劑膜厚度,直到實(shí)現(xiàn)溫度收斂。
14、 一種設(shè)計(jì)用于地鉆鉆頭的軸承的方法,包括以下步驟(a) 將用于一個(gè)或多個(gè)軸承的軸承系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中;(b) 計(jì)算軸承中的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力;(c) 確定軸承中的力、溫度和裝填角是否收斂;(d) 如果軸承中的力、溫度或裝填角不收斂,則調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù);及(e) 重復(fù)步驟(b)至(d),直到計(jì)算出的力平衡了所選的系 統(tǒng)數(shù)據(jù)負(fù)荷。
15、 如權(quán)利要求14所述的方法,其中步驟(b)包括以下步驟計(jì)算油脂粘性和油脂密度; 計(jì)算軸承和軸頸的熱彈性與彈性變形; 計(jì)算軸承中的潤(rùn)滑劑膜厚度; 計(jì)算跨軸承表面的流體動(dòng)力壓力分布;及 計(jì)算跨軸承表面的粗糙面接觸壓力。
16、 如權(quán)利要求14所述的方法,其中步驟(c)還包括調(diào)整裝填角直到裝填角收斂的步驟。
17、 如權(quán)利要求14所述的方法,其中步驟(d)包括調(diào)整偏心率 比直到計(jì)算出的力基本上等于給定負(fù)荷的步驟。
18、 一種設(shè)計(jì)用于地鉆鉆頭的軸承的方法,包括步驟 U)將用于多個(gè)軸承的軸承系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中;(b) 計(jì)算軸承中的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力;(c) 確定力是否平衡及軸承中的裝填角和溫度是否收斂;(d) 如果力不平衡或者如果軸承中的裝填角和溫度不收斂,則 調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù);及(e) 重復(fù)步驟(b)至(d),直到獲得最小膜厚度。
19、 如權(quán)利要求18所述的方法,其中步驟(b)包括以下步驟 計(jì)算油脂粘性和油脂密度;計(jì)算軸承和軸頸的熱彈性與彈性變形; 計(jì)算軸承中的潤(rùn)滑劑膜厚度; 計(jì)算跨軸承表面的流體動(dòng)力壓力分布;及 計(jì)算跨軸承表面的粗糙面接觸壓力。
20、 如權(quán)利要求18所述的方法,其中步驟(c)還包括調(diào)整裝填 角直到裝填角收斂的步驟。
21、 如權(quán)利要求18所述的方法,其中步驟(d)包括增加偏心率 比,直到獲得最小膜厚度。
22、 一種可以由計(jì)算才幾讀取以優(yōu)化地鉆鉆頭i殳計(jì)的計(jì)算機(jī)可讀介 質(zhì),該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括一組指令,當(dāng)該組指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí), 使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下操作U)接收用于鉆頭中軸承的初始軸承設(shè)計(jì)參數(shù);(b) 接收用于鉆頭中軸承的模板設(shè)計(jì);(c) 調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù);及(d) 重復(fù)步驟(b)至(c),直到地鉆鉆頭可以最優(yōu)地支撐設(shè) 計(jì)負(fù)荷。
23、 如權(quán)利要求22所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中步驟(b)還包括一組指令,當(dāng)該組指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí),使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下操作(i) 接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為輸入;(ii) 計(jì)算軸承內(nèi)的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力;(iii) 確定軸承內(nèi)的力和力矩是否平衡;(iv) 調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù);及(v) 重復(fù)步驟(ii)至(iv),直到由軸承產(chǎn)生的熱平衡了傳入 和傳出軸承系統(tǒng)的熱。
24、 如權(quán)利要求23所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中確定軸承中力 和力矩是否平衡的操作包括確定裝填角是否收斂。
25、 如權(quán)利要求24所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的操作包括調(diào)整裝填角。
26、 如權(quán)利要求23所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的操作包括調(diào)整軸承的偏心率比。
27、 如權(quán)利要求23所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的操作包括修改軸承中的潤(rùn)滑劑膜厚度。
28、 如權(quán)利要求22所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù) 的操作包括向軸承表面添加表面紋理。
29、 如權(quán)利要求28所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中這組指令還包 括執(zhí)行以下操作的指令,即利用數(shù)字模型來評(píng)估和確定添加到軸承表 面的表面紋理的i殳計(jì)。
30、 一種可以由計(jì)算機(jī)讀取,以便優(yōu)化地鉆鉆頭的軸承設(shè)計(jì)的計(jì) 算機(jī)可讀介質(zhì),該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括一組指令,當(dāng)該組指令被計(jì)算 機(jī)執(zhí)行時(shí),使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下操作(a) 接收用于一個(gè)或多個(gè)軸承的軸承系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為輸入;(b) 計(jì)算軸承中的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力;(c) 確定軸承中的力和力矩是否平衡;(d) 如果軸承中的力和力矩不平衡,則調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù);及(e) 重復(fù)步驟(b)至(d),直到由軸承產(chǎn)生的熱平衡了傳入 和傳出軸承系統(tǒng)的熱。
31、 如權(quán)利要求30所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中計(jì)算軸承中的 流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力的操作包括以下操作計(jì)算油脂粘性和油脂密度; 計(jì)算軸承和軸頸的熱彈性與彈性變形; 計(jì)算軸承中的潤(rùn)滑劑膜厚度;及 計(jì)算跨軸承表面的流體動(dòng)力壓力分布; 計(jì)算跨軸承表面的粗糙面接觸壓力。
32、 如權(quán)利要求30所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中確定軸承中的 力和力矩是否平衡的操作包括調(diào)整裝填角,直到裝填角收斂。
33、 如權(quán)利要求30所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中確定軸承中的 力和力矩是否平衡的操作包括調(diào)整偏心率比,直到力收斂。
34、 如權(quán)利要求30所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的操作包括調(diào)整軸承中的潤(rùn)滑劑膜厚度,直到實(shí)現(xiàn)溫度的收斂。
35、 一種可以由計(jì)算機(jī)讀取,以便優(yōu)化地鉆鉆頭的軸承設(shè)計(jì)的計(jì) 算機(jī)可讀介質(zhì),該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括一組指令,當(dāng)該組指令被計(jì)算 機(jī)執(zhí)行時(shí),使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下操作(a) 接收用于一個(gè)或多個(gè)軸承的軸承系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為輸入;(b) 計(jì)算軸承中的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力;(c) 確定軸承中的力、溫度和裝填角是否收斂;(d) 如果軸承中的力、溫度或裝填角不收斂,則調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù);及(e) 重復(fù)步驟(b)至(d),直到所計(jì)算出的力平衡了所選的 系統(tǒng)數(shù)據(jù)負(fù)荷。
36、 如權(quán)利要求35所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中計(jì)算軸承中的 流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力的操作包括以下操作計(jì)算油脂粘性和油脂密度; 計(jì)算軸承和軸頸的熱彈性與彈性變形; 計(jì)算軸承中的潤(rùn)滑劑膜厚度;及 計(jì)算跨軸承表面的流體動(dòng)力壓力分布;計(jì)算跨軸承表面的粗糙面接觸壓力。
37、 如權(quán)利要求35所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中確定軸承中的 力、溫度和裝填角是否收斂的操作包括調(diào)整裝填角,直到裝填角收斂。
38、 如權(quán)利要求35所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的操作包括調(diào)整偏心率比,直到所計(jì)算出的力基本上等于給定的負(fù)荷。
39、 一種可以由計(jì)算機(jī)讀取,以便優(yōu)化地鉆鉆頭的軸承設(shè)計(jì)的計(jì) 算機(jī)可讀介質(zhì),該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括一組指令,當(dāng)該組指令被計(jì)算 機(jī)執(zhí)行時(shí),使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下操作U)接收用于一個(gè)或多個(gè)軸承的軸承系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為輸入;(b) 計(jì)算軸承中的流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力;(c) 確定力是否平衡及軸承中的裝填角和溫度是否收斂;(d) 如果力不平衡或者如果軸承中的裝填角或溫度不收斂,則 調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù);及(e) 重復(fù)步驟(b)至(d),直到獲得最小膜厚度。
40、 如權(quán)利要求39所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中計(jì)算軸承中的 流體動(dòng)力壓力和粗糙面接觸壓力的操作包括以下操作計(jì)算油脂粘性和油脂密度; 計(jì)算軸承和軸頸的熱彈性與彈性變形; 計(jì)算軸承中的潤(rùn)滑劑膜厚度; 計(jì)算跨軸承表面的流體動(dòng)力壓力分布;及 計(jì)算跨軸承表面的粗糙面接觸壓力。
41、 如權(quán)利要求39所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中確定力是否平 衡及軸承中的裝填角和溫度是否收斂的操作包括調(diào)整裝填角,直到裝 填角收斂。
42、 如權(quán)利要求39所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其中調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的操作包括增加偏心率比,直到獲得最小膜厚度。
全文摘要
一種穩(wěn)態(tài)混合熱彈流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模型用于設(shè)計(jì)地鉆鉆頭,尤其是用于優(yōu)化地鉆鉆頭(11)中軸頸和推力軸承(41)的設(shè)計(jì)。該模型結(jié)合了軸承表面的紋理、粗糙面接觸、表面熱彈性變形、潤(rùn)滑劑的溫度-壓力-粘性關(guān)系及軸頸與軸承之間的角度失準(zhǔn)。
文檔編號(hào)E21B10/08GK101622420SQ200780050615
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2007年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者峙 林, 汪巖松 申請(qǐng)人:貝克休斯公司