CN114936436B - 高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法，应用于磨损模型领域。通过球‑块摩擦实验分析密封结构摩擦副材料在不同温度和载荷下的摩擦磨损性能，选择高温、动载工况下基础模型；基于高温工况下基础模型，引入温度影响参数进行修正，并拟合，输入球‑块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；基于动载工况下基础模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，再根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型。建立的模型能够准确模拟出高温、动载工况下的磨损机理，为防磨改进设计方案提供理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及磨损模型领域，特别涉及一种高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法。
背景技术
2016年，周已等人提出基于“排砂”思路的螺旋组合密封结构，设计了该密封结构及密封装置，并采用仿真和实验方法研究其密封性能及磨损性能，将其应用于8 1/2SLM537G-1型号和12 1/4 SLM517GK-1型号的牙轮钻头实际钻井中，取得了较好效果。
对于牙轮钻头螺旋密封，密封失效导致钻头失效，钻井成本增加，钻井效率降低，起下钻次数增加。每年因密封失效造成的钻头失效等直接经济损失不可估量，因密封失效导致的安全生产事故等间接经济损失更大。
因此，建立牙轮钻头螺旋密封磨损模型，预测牙轮钻头螺旋密封的磨损程度，对提高钻头密封性能，提高钻头寿命，降低钻井成本，提高钻井效率具有重要意义。
而现有磨损模型中主要是针对静载、常温工况，高温、动载工况下的磨损模型的研究几乎很少。由于高温、动载作用下，材料的物理、化学及力学性能都要发生改变，其摩擦磨损性能也会受到很大的影响。因此，静载、常温工况磨损模型的研究思路并不适合高温、动载工况下磨损模型的研究，并不能满足牙轮钻头螺旋密封在日常工作中高温、动载工况下的要求。
为此，如何提供能够满足牙轮钻头螺旋密封在日常工作中高温、动载工况环境下的要求，对牙轮钻头螺旋密封的磨损程度进行合理预测的高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法。首先，通过球-块摩擦实验，得出密封结构摩擦副材料在不同温度和不同载荷下的摩擦磨损性能，选择Archard磨损模型作为高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型；然后，通过在Archard磨损模型的基础上引入温度影响参数，并进行拟合，输入球-块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；通过对Archard磨损模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，再根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；最后，对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证，包括：静态接触仿真，动态摩擦生热仿真，动态摩擦磨损仿真，得到较准确的磨损体积，通过磨损体积，据几何关系计算磨损对螺旋圈槽深的改变量，基于最优槽深值分析，得到当前高温工况基本不会对密封效果造成影响；对动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型仿真，采用有限元仿真模拟动载和静载下的球-块磨损，将仿真结果与试验结果对比，验证理论模型和试验的可靠性与正确性，得出了动态载荷峰值对于密封圈螺纹上的接触应力影响极大，且成线性关系；动态载荷峰值越大密封圈磨损也会越来越剧烈；频率对于密封圈表面的接触应力几乎没有影响。上述建立的高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型能够准确模拟出高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封的磨损机理，为实际牙轮钻头螺旋密封结构的防磨改进设计方案提供理论支撑，对提高牙轮钻头螺旋密封性能，提高牙轮钻头螺旋密封寿命，降低钻井成本，提高钻井效率具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法，包括：
步骤(1)：通过球-块摩擦实验得出密封结构摩擦副材料在不同温度和不同载荷下的摩擦磨损性能，选择高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型。
步骤(2)基于高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型，引入温度影响参数进行修正，得到高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型；对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损初步模型进行拟合，输入球-块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型。
步骤(3)：基于动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，再根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型。
可选的，步骤(1)中，在球-块摩擦实验中采用控制变量法，测得不同温度和不同载荷下摩擦副之间的摩擦系数变化情况，以及磨损后块试件的磨损量和表面形貌，得出密封结构摩擦副材料在不同温度和不同载荷下的摩擦磨损性能。
可选的，步骤(1)中，高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型均为Archard磨损模型。
可选的，步骤(2)中，温度影响参数包括：温度系数，压力指数和速度指数。
基于Archard磨损模型，引入温度系数，压力指数和速度指数进行修正，得到高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型。
高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型如下：
其中，ks为温度系数；T为温度；T0为室温，取25℃；m为压力指数；n为速度指数；v为滑动速度，单位为mm/s；为深度磨损率；P为接触磨损区域的压力,单位为MPa；k'为磨损系数。
可选的，步骤(2)中，对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型进行拟合，输入球-块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型，具体为：将高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型输入1stOpt软件中并定义求解参数和取值范围，包括温度系数ks、磨损系数k'、压力指数m和速度指数n，得到拟合代码，输入球-块摩擦实验的数据至拟合代码中，得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型。
高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型如下：
其中，为深度磨损率；T为温度；T0为室温，取25℃；P为接触磨损区域的压力，单位为MPa；v为滑动速度，单位为mm/s。
可选的，步骤(3)中，基于Archard磨损模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，得出：
其中，dh是磨损深度微元，单位为mm；k1是改进方程中的磨损系数为无量纲常数；v是球、块试件的相对滑动速度，单位为m/s；σ0(t)是接触点处接触应力随时间的变化函数，根据接触原理可将表达式改写为σ0(t)＝σsS(t)，其中S(t)接触面积函数其大小和动态载荷幅值变化有关；Hm是块试件材料的硬度参数，是材料本身的属性。
对基于Archard磨损模型的改进式求时间t的积分，k1、v、Hm为常数，得出：
可选的，步骤(3)中，在对基于Archard磨损模型的改进式求时间t的积分后，根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系，将被磨损体积V0写为t时刻下的磨损体积微元dV0的关系式，如下：
其中，K为引入的磨损系数；l为摩擦副相对滑动距离；E*为两物体的等效弹性模量；r为球试件半径；θ为切入半角，θ的取值范围为(0-π/8)之间。
球试件受到的法向载荷为正弦型动态载荷，动态载荷随时间的变化函数为：F(t)＝x0+10sinωt，对将被磨损体积V0写为t时刻下的磨损体积微元dV0的关系式求积分，得到动态载荷下磨损时长为t0时的磨损体积改进公式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型如下：
其中，K为引入的磨损系数，l为摩擦副相对滑动距离，E*为两物体的等效弹性模量，r为球试件半径，θ为切入半角。
可选的，还包括：在建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型后，对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证。
对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证具体为：
采用有限元软件进行静态接触仿真，得到加载过程时刻摩擦副的接触应力分布情况。
采用动态摩擦生热仿真，得出在试验工况下球块之间的摩擦生热量并不明显，忽略摩擦生热对温度的影响。
采用动态摩擦磨损仿真，运用Abaqus有限元仿真软件，导入二次开发用户子程序Umeshmotion，调用自适应网格划分技术实现模型因摩擦而损失材料的过程，得到不同温度和载荷下磨损体积变化情况，并与试验结果作对比，得到较准确的磨损体积。
通过磨损体积，据几何关系计算磨损对螺旋圈槽深的改变量，计算最优槽深值。
对动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证具体为：
通过有限元仿真模拟动载和静载下的球-块磨损，将仿真结果与试验结果对比。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提出了高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法。首先，通过球-块摩擦实验，得到密封结构摩擦副材料在不同温度和不同载荷下的摩擦磨损性能，选择Archard磨损模型作为高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型；然后，通过在Archard磨损模型的基础上引入温度影响参数，并进行拟合，输入球-块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；通过对Archard磨损模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，再根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；最后，对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证，包括：静态接触仿真，动态摩擦生热仿真，动态摩擦磨损仿真，得到较准确的磨损体积，通过磨损体积，据几何关系计算磨损对螺旋圈槽深的改变量，基于最优槽深值分析，得到当前高温工况基本不会对密封效果造成影响；对动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型仿真，采用有限元仿真模拟动载和静载下的球-块磨损，将仿真结果与试验结果对比，验证理论模型和试验的可靠性与正确性，得出了动态载荷峰值对于密封圈螺纹上的接触应力影响极大，且成线性关系；动态载荷峰值越大密封圈磨损也会越来越剧烈；频率对于密封圈表面的接触应力几乎没有影响。上述建立的高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型能够准确模拟出高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封的磨损机理，为实际牙轮钻头螺旋密封结构的防磨改进设计方案提供理论支撑，对提高牙轮钻头螺旋密封性能，提高牙轮钻头螺旋密封寿命，降低钻井成本，提高钻井效率具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明的Archard磨损模型的粘着磨损过程示意图。
图3为本发明的基于Archard磨损模型改进的动态载荷下的球块试件的摩擦副接触区域放大示意图。
图4为本发明的通过静态接触仿真得到加载完成时刻摩擦副的接触应力为10N的分布情况示意图。
图5为本发明的通过静态接触仿真得到加载完成时刻摩擦副的接触应力为20N的分布情况示意图。
图6为本发明的通过静态接触仿真得到加载完成时刻摩擦副的接触应力为30N的分布情况示意图。
图7为本发明的通过静态接触仿真得到加载完成时刻摩擦副的接触应力为40N的分布情况示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法，如图1所示，包括：
步骤(1)：通过在球-块摩擦实验中采用控制变量法，分别改变块试件温度和施加的载荷，测得不同温度和不同载荷下摩擦副之间的摩擦系数变化情况，以及磨损后块试件的磨损量和表面形貌，得出密封结构摩擦副材料在不同温度和不同载荷下的摩擦磨损性能，选择Archard磨损模型作为高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型，如图2所示。
步骤(2)基于Archard磨损模型，引入温度影响参数：温度系数，压力指数和速度指数进行修正，得到高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型，具体为：
Archard模型通常在局部区域上应用，设磨损区域面积为S1，将Archard模型两边同时除以S1可得：
其中FN为法向载荷，L为球块试验的滑动距离，W'为总磨损量，k为磨损过程中产生磨屑的概率，P为接触磨损区域的压力(MPa)，H为布氏硬度值，磨损区域深度h由式(1)可得。
联立式(1)和式(2)可得：
式(3)对时间t是可导的，因此对时间t进行求导可得：
进一步整理式(4)，令为深度磨损率，/>为滑动速度(mm/s)，将k与H合并为新的磨损系数k'，在考虑温度的影响下进行修正，得高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损初步模型，如式(5)：
其中，ks为温度系数，T0为室温，取25℃，m为压力指数，n为速度指数。
对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损初步模型进行拟合，输入球-块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型，具体为：
在1stOpt中用Function语句将所需拟合公式设定为式(5)，用Parameters语句定义求解参数和取值范围，包括温度系数ks、磨损系数k'、压力指数m以及速度指数n，按照变量定义的顺序数据实现拟合，拟合代码及注释如下：
输入球-块摩擦实验的数据至拟合代码中，求解算法设置为通用全局优化算法(UGO)，收敛判据为1E-10，最大迭代数为1000，并行数30，控制数50，收敛判断数15，运行后整理得到拟合结果如表1所示：
表1
拟合结果显示R方为0.94，说明拟合结果较好，将求解出的参数代入到式(5)中，最终得到适用于20CrNiMo-40Cr摩擦副的摩擦磨损模型如式(6)：
其中，为深度磨损率；T为温度；T0为室温，取25℃；P为接触磨损区域的压力，单位为MPa；v为滑动速度，单位为mm/s。
步骤(3)：基于Archard磨损模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，在试验过程中球试件与块试件进行相对滑动，球试件的切入深度会不断的加深，而在经典Archard磨损模型并不能直接的将其反应出来。由于摩擦副接触形式为点接触，在进行相对滑动时虽然会在接触点产生大量的摩擦热，但块试件整体尺寸较大，摩擦热逸散极快，因此在对经典Archard磨损模型进行改进时不考虑温度变化，且将摩擦副材料的屈服极限σs和摩擦副的相对滑动速度v视为固定常量，得到以下改进公式：
其中，dh是磨损深度微元，单位为mm；k1是改进方程中的磨损系数为无量纲常数；v是球、块试件的相对滑动速度，单位为m/s；σ0(t)是接触点处接触应力随时间的变化函数，根据接触原理可将表达式改写为σ0(t)＝σsS(t)，其中S(t)接触面积函数其大小和动态载荷幅值变化有关；Hm是块试件材料的硬度参数，是材料本身的属性。
对基于Archard磨损模型的改进式求时间t的积分，k1、v、Hm为常数，得出：
将摩擦副接触区域无限放大如图3所示，将块试件表面视为x-y平面，建立O-xyz空间直角坐标系，且取任意时间的接触状态分析，在法向载荷F的作用下h无限趋近于0时，此时为极限情况下的椭圆赫兹接触。
根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型，具体为：
根据赫兹点接触理论，试验中的球试件与块试件之间的接触由于试验材料的弹性形变会形成一个椭圆接触区域，切入试块的面积即为平面受球体挤压产生的弹性形变，可通过几何关系表示为：
S＝θr2-arcosθ#(9)；
其中，θ为切入半角，a为宽度，r为球试件半径，假设摩擦副相对滑动距离为l，则被磨损体积V0为：
V0＝Sl＝θr2l-arlcosθ#(10)；
其中，θ为切入半角，a为宽度，r为球试件半径,l为摩擦副相对滑动距离，S为切入试块的面积，根据球体与平面的赫兹接触理论，块试件表面产生弹性位移的点在Z轴负方向的位移δ可表示为：
其中，h为切入试块件的深度，r为球试件半径，δ为位移，赫兹压力在接触区域的分布，以及在z轴方向上产生的垂直位移为：
其中，σ0为接触中心的压力，r为球试件半径，a为宽度，E*为两物体的等效弹性模量，δ为位移，块试件表面在接触区域内所有发生弹性形变的点其垂直位移都相等，说明产生这样的压力分布时，压痕是由刚性圆柱压头在弹性半空间产生，此时接触区域的合力为：
其中，σ0为接触中心的压力，a为宽度，δ为位移，将式(13)代入式(10)中得：
其中，σ0为接触中心的压力，a为宽度，E*为两物体的等效弹性模量，δ为位移，r为球试件半径，h为切入试块件的深度，在式(15)中对位移产生影响的参数为变量h和a，因此需满足以下要求：
并且变量h和a还应该符合接触半径条件：
a2＝rh#(18)；
以及接触区域的最大压力条件：
将式(18)和式(19)代入式(14)中得：
其中，E*为两物体的等效弹性模量，r为球试件半径，h为切入试块件的深度，根据式(20)和式(19)可推出，赫兹接触中心的压力和法向载荷及接触半径的关系：
其中，动态载荷F是关于时间的函数，E*为两物体的等效弹性模量，r为球试件半径，因此可将式(10)的被磨损体积V0写为t时刻下的磨损体积微元dV0：
式中，K为引入的磨损系数，l为摩擦副相对滑动距离，E*为两物体的等效弹性模量，r为球试件半径，θ为切入半角，因为摩擦副在发生磨损时其接触面积上不是所有的粗糙峰和微凸起都会导致磨粒的产生；随着磨损深度的变化θ的取值是关于时间的函数，但θ的取值范围经过实际测量得出(0-π/8)之间。
由于球试件受到的法向载荷为正弦型动态载荷，动态载荷随时间的变化函数为：F(t)＝x0+10sinωt，参考改进的Archard磨损模型式，对式(22)求积分，可将式子改写为本文动态载荷下磨损时长为t0时的磨损体积改进公式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型如下：
其中，K为引入的磨损系数，l为摩擦副相对滑动距离，E*为两物体的等效弹性模量，r为球试件半径，θ为切入半角，结合Archard磨损模型式即可用于ABAQUS仿真中。
还包括，对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证具体为：
高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型仿真具体为：
运用Abaqus等有限元仿真软件，进行静态接触仿真，通过建模、设定相互作用、分析步及加载、网格划分及边界条件设置、计算及后处理及仿真结果及分析等步骤，得到加载完成时刻摩擦副的接触应力分布情况，如图4-图7所示。
由于温度有两个来源：一个是热流道***按照设定温度给***加温，此温度为已知量，在仿真中以预定义场的方式施加到球块模型上；另一个则是因摩擦产生的热量使温度上升，这部分温度需要通过仿真求解得到，因此采用动态摩擦生热仿真，摩擦生热仿真基本步骤大致与静态接触相同，最终得出在试验工况下球块之间的摩擦生热量并不明显，可以忽略摩擦生热对温度的影响。
采用动态摩擦磨损仿真，运用Abaqus有限元仿真软件，导入二次开发用户子程序Umeshmotion如下：
调用自适应网格划分技术实现模型因摩擦而损失材料的过程，得到不同温度和载荷下磨损体积变化情况，并与试验结果作对比，得到较准确的磨损体积。
高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型仿真研究通过摩擦仿真和磨损仿真得到的磨损体积，据几何关系计算磨损对螺旋圈槽深的改变量，基于最优槽深值分析，得到当前高温工况基本不会对密封效果造成影响。
动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型仿真具体为：
通过有限元仿真模拟动载和静载下的球-块磨损，将仿真结果与试验结果对比，得出动态载荷下的磨损体积与试验值具有很好的一致性，不同峰值载荷下和不同频率下的磨损体积变化趋势与试验所得结果相同，验证理论模型和试验的可靠性与正确性。
动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型仿真研究得出了动态载荷峰值对于密封圈螺纹上的接触应力影响极大，且成线性关系；动态载荷峰值越大密封圈磨损也会越来越剧烈；频率对于密封圈表面的接触应力几乎没有影响。
本发明公开了高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法。首先，通过球-块摩擦实验，得到密封结构摩擦副材料在不同温度和不同载荷下的摩擦磨损性能，选择Archard磨损模型作为高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型；然后，通过在Archard磨损模型的基础上引入温度影响参数，并进行拟合，输入球-块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；通过对Archard磨损模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，再根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；最后，对高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证，包括：静态接触仿真，动态摩擦生热仿真，动态摩擦磨损仿真，得到较准确的磨损体积，通过磨损体积，据几何关系计算磨损对螺旋圈槽深的改变量，基于最优槽深值分析，得到当前高温工况基本不会对密封效果造成影响；对动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型仿真，采用有限元仿真模拟动载和静载下的球-块磨损，将仿真结果与试验结果对比，验证理论模型和试验的可靠性与正确性，得出了动态载荷峰值对于密封圈螺纹上的接触应力影响极大，且成线性关系；动态载荷峰值越大密封圈磨损也会越来越剧烈；频率对于密封圈表面的接触应力几乎没有影响。上述建立的高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型能够准确模拟出高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封的磨损机理，为实际牙轮钻头螺旋密封结构的防磨改进设计方案提供理论支撑，对提高牙轮钻头螺旋密封性能，提高牙轮钻头螺旋密封寿命，降低钻井成本，提高钻井效率具有重要意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：通过球-块摩擦实验得出密封结构摩擦副材料在不同温度和不同载荷下的摩擦磨损性能，选择高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型和动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型；
步骤(2)基于所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型，引入温度影响参数进行修正，得到高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型；对所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损初步模型进行拟合，输入所述球-块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；
步骤(3)：基于所述动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，再根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；
步骤(1)中，所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型和所述动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的基础模型均为Archard磨损模型；
步骤(2)中，所述温度影响参数包括：温度系数，压力指数和速度指数；
基于Archard磨损模型，引入所述温度系数，所述压力指数和所述速度指数进行修正，得到高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型；
所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型如下：
其中，ks为温度系数；T为温度；T0为室温，取25℃；m为压力指数；n为速度指数；v为滑动速度，单位为mm/s；为深度磨损率；P为接触磨损区域的压力，单位为MPa；k′为磨损系数；
步骤(3)中，基于Archard磨损模型进行改进，对动态载荷下的球块试件之间的磨损机理进行公式推导，得出：
其中，dh是磨损深度微元，单位为mm；k1是改进方程中的磨损系数为无量纲常数；v是球、块试件的相对滑动速度，单位为m/s；σ0(t)是接触点处接触应力随时间的变化函数，根据接触原理将表达式改写为σ0(t)＝σsS(t)，其中S(t)接触面积函数其大小和动态载荷幅值变化有关；Hm是块试件材料的硬度参数，是材料本身的属性；
对所述基于Archard磨损模型的改进式求时间t的积分，k1、v、Hm为常数，得出：
步骤(3)中，在对所述基于Archard磨损模型的改进式求时间t的积分后，根据赫兹点接触理论，推导出磨损体积与时间的关系，将被磨损体积V0写为t时刻下的磨损体积微元dV0的关系式，如下：
其中，K为引入的磨损系数；1为摩擦副相对滑动距离；E*为两物体的等效弹性模量；r为球试件半径；θ为切入半角，θ的取值范围为(0-π/8)之间；
球试件受到的法向载荷为正弦型动态载荷，动态载荷随时间的变化函数为：F(t)＝x0+10sinωt，对所述将被磨损体积V0写为t时刻下的磨损体积微元dV0的关系式求积分，得到动态载荷下磨损时长为t0时的磨损体积改进公式，建立动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型如下：
2.根据权利要求1所述的高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法，其特征在于，步骤(1)中，在所述球-块摩擦实验中采用控制变量法，测得不同温度和不同载荷下摩擦副之间的摩擦系数变化情况，以及磨损后块试件的磨损量和表面形貌，得出所述密封结构摩擦副材料在不同温度和不同载荷下的摩擦磨损性能。
3.根据权利要求1所述的高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法，其特征在于，步骤(2)中，对所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型进行拟合，输入所述球-块摩擦实验的数据得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型，具体为：将所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损的初步模型输入1stOpt软件中并定义求解参数和取值范围，包括所述温度系数ks、所述磨损系数k′、所述压力指数m和所述速度指数n，得到拟合代码，输入所述球-块摩擦实验的数据至所述拟合代码中，得到最优解，建立高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型；
所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型如下：
其中，取25℃。
4.根据权利要求1所述的高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法，其特征在于，还包括：在建立所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型和所述动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型后，对所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型和所述动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证；
对所述高温工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证具体为：
采用有限元软件进行静态接触仿真，得到加载过程时刻摩擦副的接触应力分布情况；
采用动态摩擦生热仿真，得出在试验工况下球块之间的摩擦生热量并不明显，忽略摩擦生热对温度的影响；
采用动态摩擦磨损仿真，运用Abaqus有限元仿真软件，导入二次开发用户子程序Umeshmotion，调用自适应网格划分技术实现模型因摩擦而损失材料的过程，得到不同温度和载荷下磨损体积变化情况，并与试验结果作对比，得到较准确的磨损体积；
通过所述磨损体积，据几何关系计算磨损对螺旋圈槽深的改变量，计算最优槽深值；
对所述动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型进行仿真验证具体为：
通过有限元仿真模拟动载和静载下的球-块磨损，将仿真结果与试验结果对比。
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