牙轮钻头滑动轴承的前期损坏限制了钻头使用寿命和工作性能,是目前石油钻井领域亟需解决的问题之一。近年来一些理论和实验已证实合适参数的仿生表面织构引入牙轮钻头滑动轴承能提升其摩擦学性能,但织构参数的设计与优选是织构能否在实际工况下应用的关键。因此,本文基于数值仿真分析及单元摩擦学实验,针对凹槽型织构化牙轮钻头滑动轴承展开更加系统、细致的研究,主要研究内容如下:(1)基于一定假设条件,结合凹槽织构几何方程,建立凹槽型织构化牙轮钻头滑动轴承润滑理论模型,系统分析了不同工况参数、织构参数与钻头滑动轴承表面承载力和摩擦系数的关系。结果表明,不同工况条件下,钻头轴承的润滑状态不同;掌握了织构的分布角度、深度、面积比、偏斜角度、宽度、长度等多因素对牙轮钻头滑动轴承润滑性能的影响规律,为织构化钻头轴承实验中试件织构参数的设计提供了理论依据。(2)结合UMT摩擦磨损试验机环-块摩擦副的几何尺寸及牙轮钻头滑动轴承的实际工况,设计了实验试件、单元摩擦磨损实验方案。基于赫兹接触理论进行等效工况转换,确定了实验环境参数。通过激光扫描加工凹槽织构的工艺研究,得到了激光加工参数对织构形貌的影响规律,并在此基础上完成了凹槽型织构化环试件的加工。(3)完成了载荷为 200N、300N、400N,转速为 60rpm、120rpm、180rpm、240rpm这12组工况条件下的环-块单元摩擦实验,得到了在不同载荷和转速条件下,环-块摩擦副的摩擦系数随凹槽型织构深度、面积比、偏斜角度和宽度的变化规律,实验研究结果与理论仿真结果具有较好的一致性。(4)对比了无织构实验组、织构化实验组和镀银实验组的摩擦系数、磨损量及磨痕表面形貌。实验结果表明:相较于无织构实验组,织构化实验组摩擦系数最大可降低39.1%,磨损率降低58.3%;镀银实验组摩擦系数最大可降低35.3%,磨损率降低68.7%。综上所述,本文通过数值仿真和环-块摩擦副单元模拟实验相结合的方法,建立了凹槽型织构化牙轮头滑动轴承的设计方法。对比不同表面处理方式的环-块实验组的摩擦学性能,得到凹槽型织构化环-块实验组的综合润滑减磨性能最佳。研究结果为凹槽型织构化牙轮钻头滑动轴承的设计与优化提供了依据,对促进仿生表面织构技术在牙轮钻头滑动轴承领域的深入研究及应用具有重要意义。