牙轮钻头在井底的工作条件较为恶劣,主要承受轴向振动载荷、扭转振动载荷和横向振动载荷,轴承失效是牙轮钻头失效的主要原因。随着深井和超深井的不断增多,深部地层钻进需要的小尺寸三牙轮钻头越来越多,要求轴承能适应高钻压、高转速。但小尺寸三牙轮钻头布齿空间极其有限、壳体厚度较小,且牙爪轴承尺寸相对较小,为了提高钻速,在高钻压、高转速下常常发生轴承失效。因此,对小尺寸牙轮钻头轴承结构进行分析研究,具有极其重要的意义。本文以小尺寸三牙轮钻头为研究对象,建立了包含牙爪、牙轮和牙齿的牙轮钻头轴承模型,用ABAQUS有限元分析软件进行静强度分析,获得了轴承结构Mises应力和接触压力分布情况；用Fe-Safe软件作轴承结构疲劳强度分析,获得了轴承结构疲劳寿命和安全系数；用DOE试验设计技术,通过改变轴承结构大轴颈长度、小轴颈长度、大轴颈直径和小轴颈直径的不同尺寸,对牙轮钻头轴承结构开展结构参数敏感性研究,分析了交互作用对轴承结构参数敏感性的影响,并根据参数变化对牙轮钻头轴承结构强度的影响,对轴承结构参数作优化研究。通过以上对小尺寸三牙轮钻头轴承结构的分析,建立了牙轮钻头轴承结构静强度、疲劳强度的分析规范和评价指标,确定轴承结构参数变化对轴承静强度和疲劳强度的影响,最终得到合理的轴承结构设计参数,对指导小尺寸牙轮钻头轴承结构设计、开发牙轮钻头具有较大的意义。