摘要
螺杆钻具是由多个可以旋转的转轴通过万向联轴器连接成的一个轴系，主要用来传递转矩从而带动钻头运动。但是在安装或者在万向联轴器自身磨损消耗下，钻具会出现轴线上的不对中，进而引发一系列故障，比如螺杆钻具的螺杆马达转子联轴器偏移、轴承移动、转轴发生形变、油膜失稳等，导致机器发生振动并造成一系列的危害。因此，在实验室条件下，研究井下动力钻具不对中的故障产生机理，掌握不同故障的特征，并及时进行故障诊断，对减小或避免由于转子联轴器不对中而产生的故障具有十分重要的意义。本文借助于DHRMT双跨转子台高度模拟井下的钻具故障，设置转子不对中的不同故障类型，通过实验获得钻具转子不对中故障造成的振动特征，为井下动力钻具设计及改进提供参考依据。
现如今钻具的形式越来越多，常见的有：井下动力钻具、电动钻具、涡轮钻具等。我们在工程中一般使用的是井下的动力钻具，它具有很高的转速，和PDC钻
螺杆钻具构件中仅次于螺杆马达的部件是万向轴，它的作用主要是把马达转子的偏心运动改变成传动轴的同心运动，还可以传递螺杆马达的转速和扭矩，在原理上是一个联轴器。而且万向轴一般都是钻具中最易受到损坏的构件，一旦失效就会导致钻具的落井事故和多余的起钻和下钻，最终造成钻井作业的事故，所以万向轴的稳定性和耐久性也间接决定着螺杆钻具的使用寿命以及钻井工作的正常进行。挠性万向轴主要是用挠性轴的弹性变形来实现改变传动方向，万向轴首先要承担巨大的扭矩，还要承受一些轴向压力，这就要求轴的直径足够大，但是挠性轴的长度不能太短，就必须要增加钻具的总长度，从而在构件上增加了钻井作业难度，说明在水平井和大位移斜井中不适用；瓣式万向轴一般是中间轴体两端分别连接一个瓣式万向节，万向节是由多种形状瓣式体相互咬合，一般情况下，因为瓣式体互相咬合的关系所以就可以用来传递扭矩，中间轴一般是辅助传递的作用，也有一些特殊的瓣式万向轴使瓣齿和中间轴联系到一起传递扭矩。但缺点也很明显，在运动过程中瓣齿和中间轴之间的磨损消耗过大。一般螺杆钻具中的两种万向联轴器都存在不对中以及疲劳损伤等问题。笔者对转子的联轴器不对中进行了理论调查以及实验论证。
一般中小型的钻具在转子之间使用的是刚性联轴器，不同种类的联轴器发生的不对中类型、振动特征和最后造成的故障都不同，所以一般情况下分为以下3种类型。
联轴器和中间齿套组成一个整体，二者之间不会发生相对移动。如果转子和中心线之间产生径向位移，半联轴器与中间齿套间就会存在错动从而发生平面上的圆周运动（如
图1 转子联轴器平行不对中
Fig.1 Parallel misalignment of coupling
如
图2 中间齿套运动分析
Fig.2 Movement analysis of the coupling gear sleeve
| （1） |
对求导，得：
| （2） |
K点的线速度为：
| = | （3） |
当，中间齿套和转轴的角速度一样，可以得出：
| （4） |
式中K点的线速度为，得出转子的角速度为K点的转动速度的1/2，只要转子转速加快到一定程度，转轴就会有离心力的产生，促使转子产生振动，其工频为振动频率的1/
如果转轴轴线上发生单侧的角度位移时，从动和主动转子的是不同的（如
| = | （5） |
式中：、——主动转子和从动转子的角速度，rad/s；——从动转子的偏斜角；——主动转子的转
图3 转子联轴器偏角不对中
Fig.3 Angular misalignment of the coupling
当从动转子转速变化2次相当于转轴转动一周时（如
| （6） |
图4 转速比的变化曲线
Fig. 4 Variation curve of the rotational speed ratio
当角度不对中时为了消除长轴与短轴中心线的偏角，联轴器会产生一个弯矩，最终使转轴在中心向上产生振
在工程实践应用时，情况往往很复杂，一般情况下包括转子联轴器的平行和角度不对中，如果二者条件都具备时称之为转子联轴器的综合不对
转子角频率和轴向振动频率相同是因为转子转动时存在的附加轴向力加上发生的角度位移的作用，从动转子在转轴轴向上往复转动一次时相当于在一个周期里转子回转了一周（如
图5 转子不对中的轴线振动
Fig.5 Axial vibration due to rotor misalignment
实验借助于DHRMT双跨转子实验台（见
图6 DHRMT双跨转子实验台
Fig.6 DHRMT double span rotor bench
转子试验台控制器：可以根据不同的故障试验要求，控制转轴的转速；该控制器操作简单、方便，能比较容易地实现对转子工作转速的灵活、精确控制。
动态信号数采仪：连接计算机的分析软件，进行数据的实时传输和显示。
转速通道接口：用来测得转子台调速电机的实时转速值。
振动通道接口：作用是测量传感器所测的转轴旋转的振动信号。
刚性联轴器：用于对接长轴短轴。
柔性联轴器：用于连接长轴，把电机提供的能量传递给转轴使之转动起来。
电涡流传感器：转轴转动时利用2个垂直的电涡流传感器采集转子转动时的动态数据。
轴承：在横向和纵向上固定转轴。
转子圆盘：通过加减配重块来控制加载在短轴和长轴上的重力。
本文一共设置了4组实验，分别为对照实验、联轴器的平行、角度和综合不对中实验。为了方便分析，4组实验的转速均为1500 r/min，采集的信号图谱有：Resampling（整周期重采样波形）记录的是时域波形及转速和相位（横坐标为周期，纵坐标为振动幅值）；阶次谱图记录的是传感器在刚性联轴器附近发生移动的信号曲线（横坐标为阶次，纵坐标为各阶次振动幅值）；轴心轨迹图记录的是传感器在转轴处测得的对应信号合成的轴心轨迹（横坐标为振动幅值，纵坐标为电涡流电压）。
为了增加该轴承端在接触面上的高度，本文首先松开第二轴承所在的刚性联轴器，将第二跨的短轴取出，再松开第三轴承座的固定螺丝，在底座和轴承之间增加1个垫片，每个垫片的高度均为0.74 mm，目的是为了在联轴器与转轴之间增加一个摩擦力使试验目的更加精确。首先设计了在不装垫片和转子圆盘的情况下接通转子台控制器电源，使转子台稳定在1500 r/min转速下转动。此时的转动模式是一个理想化的状态，即联轴器没有发生故障。
图7 联轴器没有发生故障
Fig.7 Coupling without any failure
在模拟平行不对中的实验时，将第三轴承和第四轴承于V形支座连接处放2个垫片，同时第一轴承和第二轴承只垫高1个垫片，就成功模拟出了井下钻具联轴器平行不对中的故障。在
图8 联轴器平行不对中
Fig.8 Parallel misalignment of the coupling
在模拟角度不对中的实验时，将第二和第三轴承垫高2个垫片而把第一轴承和第四轴承垫高1个垫片，就成功模拟出联轴器角度不对中。在
图9 联轴器角度不对中
Fig.9 Angular misalignment of the coupling
在模拟综合不对中的实验时，将第一和第二轴承垫高2个垫片让它们保持一个平行的高度，再将第三轴承垫高2个垫片，将第四轴承垫高1个垫片，就可以模拟出联轴器的综合不对中故障。在
图10 联轴器综合不对中
Fig.10 Compound misalignment of the coupling
总结以上实验结果，得到了3种井下钻具联轴器不对中的振动故障特征如
由于井下动力钻具规模比较大，实验起来费时费力，所以本文在实验室条件下利用DHRMT双跨转子实验台仪器高度还原井下钻具联轴器不对中的故障机理，本文进行的不对中实验基本都包括了钻具在井下由于联轴器不对中而引起的故障模型，并且对3种情况造成的故障分别进行了分析。通过不对中试验，以及试验数据的分析可得：当旋转轮廓为类似8字形时联轴器属于平行不对中，当旋转轮廓为8字形时联轴器属于角度不对中，当旋转轮廓为双环椭圆形时联轴器属于综合不对中，当转速很高时甚至为双锥体形。本文的研究成果可以给钻具的设计者提供理论上的参考，为仪器设计的精密性提供帮助。
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