(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210635214.0 (22)申请日 2022.06.07 (71)申请人 西南石油大 学 地址 610500 四川省成 都市新都区新都大 道8号 (72)发明人 周已　王儒晨　蒋阳　胡家豪　 雷鑫林　 (74)专利代理 机构 北京睿智保诚专利代理事务 所(普通合伙) 11732 专利代理师 杜娟 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 高温、 动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模 型的建立方法 (57)摘要 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 。 权利要求书3页 说明书10页 附图3页 CN 114936436 A 2022.08.23 CN 114936436 A 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。 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(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A rchard磨损模型。 4.根据权利要求3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， 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。 5.根据权利要求4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， 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， 单位为权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114936436 A 2MPa； v为滑动速度， 单位 为mm/s。 6.根据权利要求3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(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； 对所述基于A rchard磨损模型的改进式求时间t的积分， k1、 v、 Hm为常数， 得 出： 7.根据权利要求6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(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； 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： 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。 8.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；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114936436 A 3