鉆井機(jī)械滾動(dòng)軸承溫度對(duì)潤(rùn)滑的影響

楊旭輝 夏浩

摘 要：鉆井機(jī)械工作環(huán)境惡劣，基本都是在露天場(chǎng)所，特別是沙漠戈壁溫差大的地區(qū)，潤(rùn)滑面臨很大挑戰(zhàn)。溫度不僅影響潤(rùn)滑脂的粘度，對(duì)軸承的徑向游隙也有影響，溫度升高，徑向游隙變小，加劇了軸承磨損。本文通過(guò)溫度對(duì)滾動(dòng)軸承徑向間隙的影響，給潤(rùn)滑造成的不良影響，為軸承安裝使用提供幫助。

關(guān)鍵詞：鉆井機(jī)械；溫度；徑向游隙；潤(rùn)滑

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.070

1 引言

石油鉆井機(jī)械是一種連續(xù)的作業(yè)的過(guò)程，一旦發(fā)生故障將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。石油鉆井機(jī)械大部分屬于傳動(dòng)大型設(shè)備，易發(fā)生故障的部件主要是軸承。因此對(duì)鉆井機(jī)械滾動(dòng)軸承的故障診斷變得越來(lái)越重要，能否預(yù)防以及提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障有重大經(jīng)濟(jì)效益。本文通過(guò)溫度變化對(duì)軸承徑向游隙的影響，進(jìn)一步影響潤(rùn)滑油膜，造成的軸承磨損的探討，進(jìn)一步減少目前存在的軸承故障。

2 石油鉆井機(jī)械工作特點(diǎn)

油井根據(jù)油區(qū)分布和儲(chǔ)藏量來(lái)確定數(shù)量和位置，在中原地區(qū)一般一個(gè)鉆井平臺(tái)一年累計(jì)十口左右，主要根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)，鉆進(jìn)速度不一。我國(guó)油井位置較分散，不像西亞地區(qū)，原油藏量大而且集中，油井都是一字排列，鉆井設(shè)備搬家安裝次數(shù)較少。我們鉆井公司基本每口油井都需要搬家，完鉆拆除設(shè)備，搬到新油井位再次安裝。

鉆井設(shè)備特點(diǎn)是頻繁拆裝，而且大多都是傳動(dòng)設(shè)備，例如典型的變數(shù)箱、傳動(dòng)箱、轉(zhuǎn)盤(pán)、絞車(chē)等。設(shè)備發(fā)生故障最多的就是滾動(dòng)軸承，其中能達(dá)到軸承設(shè)計(jì)使用壽命的寥寥無(wú)幾。出現(xiàn)故障最多的就是滾動(dòng)軸承疲勞點(diǎn)蝕和磨損，主要是軸承工作環(huán)境振動(dòng)大以及軸承徑向游隙改變?cè)斐傻摹?/p>

我國(guó)油田分布較廣，從設(shè)備運(yùn)行工作條件，典型的有東北油田寒溫帶氣候、中原油田的暖溫帶氣候、江蘇油田的亞熱帶氣候、青海和新疆的溫帶大陸性氣候。設(shè)備運(yùn)行軸承的軸承溫度與當(dāng)?shù)貧夂驐l件有很大的關(guān)系，特別是露天場(chǎng)所，更加重要。軸承的溫度升高，軸承的徑向游隙改變，潤(rùn)滑條件變化，最終造成軸承的損壞。

3 軸承的徑向游隙

理論上未來(lái)軸承對(duì)軸精確的同心引導(dǎo)，希望理想的工作時(shí)，滾動(dòng)體和滾道之間沒(méi)有徑向游隙，或者在很小的范圍內(nèi)變動(dòng)。但是滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈溫度和軸承外圈溫度有差異[1]，受到不同的因素影響，往往在設(shè)計(jì)時(shí)留有適當(dāng)?shù)挠蜗叮瑏?lái)確保滾動(dòng)軸承在一定溫差下能正常的工作。

滾動(dòng)軸承的徑向游隙是滾動(dòng)軸承的一個(gè)重要參數(shù)，特別是安裝時(shí)是否合理，對(duì)滾動(dòng)體的最大載荷分布影響很大。另外徑向游隙對(duì)滾動(dòng)軸承的摩擦、振動(dòng)、噪聲、溫升等影響很大，最終影響軸承的使用壽命。

4 軸承的徑向游隙與潤(rùn)滑的關(guān)系

滾動(dòng)軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體最大載荷處也就是滾動(dòng)體和軸承內(nèi)圈最小處。滾動(dòng)體與軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)體與軸承外圈之間的潤(rùn)滑，主要有潤(rùn)滑膜對(duì)滾動(dòng)體接觸表面的分離程度。在軸承工作情況一定的情況下，分離程度往往有最小油膜hmin決定。因?yàn)橛凶钚∮湍ず穸葲Q定，是軸承徑向游隙減小，減少值等于軸承滾動(dòng)體和內(nèi)圈、外圈之間的油膜厚度[2]。完全彈性流體潤(rùn)滑情況下，載荷全部有油膜承擔(dān)。實(shí)際情況是軸承在工作時(shí)滾動(dòng)體和內(nèi)外圈多屬于混合潤(rùn)滑，載荷由本體和油膜一起承擔(dān)。

采用Dowsow-Higginson公式計(jì)算滾動(dòng)體和內(nèi)圈、外圈之間的最小油膜厚度為[3]：

式中：為潤(rùn)滑油壓粘系數(shù)，1/MPa，取=2.2*10-2；為潤(rùn)滑油在大氣壓力下的動(dòng)力粘度，MPa.s；v為滾動(dòng)體和內(nèi)外圈之間的平均線速度，mm/s；為當(dāng)量半徑，mm；滾動(dòng)體與內(nèi)圈的當(dāng)量半徑（為內(nèi)圈滾道半徑，為外圈滾道半徑），滾動(dòng)體與外圈的當(dāng)量半徑（為外圈滾道半徑）；W為滾動(dòng)體與內(nèi)外滾道先接觸單位長(zhǎng)度上的載荷，N/mm；為材料的綜合彈性模量，MPa，=1.0989E，E為彈性模量。利用（1）可以分別計(jì)算出滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道之間的最小油膜厚度，徑向游隙減少量為：

5 滾動(dòng)軸承徑向游隙與溫度的關(guān)系

滾動(dòng)軸承在使用過(guò)程中，特別是夏季高溫，加之散熱不良，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中摩擦加劇溫升。溫度升高，滾動(dòng)體和內(nèi)圈、外圈都增加顯現(xiàn)，由于熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，內(nèi)外圈溫度出現(xiàn)差異。由于外圈的面積大于內(nèi)圈的表面積，散熱較快，這樣內(nèi)圈溫度低于外圈溫度，因此內(nèi)圈的熱膨脹量大于外圈，這樣軸承正常工作時(shí)徑向游隙比安裝時(shí)要小[4]。溫度升高，徑向游隙進(jìn)一步減小，造成磨損加劇，這也是軸承持續(xù)高溫，也就應(yīng)該更換了。

式中：為軸承鋼的線膨脹系數(shù)，1/0C，對(duì)于鋼材=1.12×10-5；為內(nèi)外圈的溫度差，一般取8-100C。

6 滾動(dòng)軸承使用壽命與最小油膜關(guān)系

根據(jù)ISO281：2007《滾動(dòng)軸承——額定動(dòng)載荷和額定壽命》中給出的修訂額定壽命公式[5]：

式中——額定壽命；——基本額定壽命：C——基本額定動(dòng)載荷；P——當(dāng)量動(dòng)載荷；——壽命指數(shù)；——為可靠度壽命修正指數(shù)；——壽命修正系數(shù)；——污染系數(shù)；——疲勞載荷極限；——粘度比，與油膜參數(shù)[6]的關(guān)系是。其中油膜參數(shù)等于最小油膜厚度與滾動(dòng)接觸表面的粗糙度的均方根之比。

由修正額定壽命計(jì)算公式可以看出，額定壽命通過(guò)壽命修正系數(shù)與最小油膜厚度相關(guān)，最小油膜厚度與徑向游隙緊密相關(guān)，因此安裝時(shí)應(yīng)該加上最小油膜厚度考慮徑向游隙。

7 實(shí)例

例如NU238圓柱滾子軸承為例，標(biāo)準(zhǔn)徑向游隙為65-135。

帶入（2）式中，=3.79

帶入（3）式中，=61.18（=9）

徑向游隙=+=64.97

因此可以看出，軸承在37度時(shí)，滾動(dòng)軸承能夠正常工作。當(dāng)滾動(dòng)軸承工作溫度達(dá)到76度時(shí)徑向游隙達(dá)到137。因此當(dāng)滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑不良，溫度升高，軸承摩擦磨損嚴(yán)重，最終導(dǎo)致軸承燒傷。

滾動(dòng)軸承徑向游隙影響因素較多，本文只是采用影響較大的內(nèi)外圈溫差和滾動(dòng)體與內(nèi)外圈的彈性變形量。此法計(jì)算出來(lái)的參考值，可以看出當(dāng)軸承工作溫度較高時(shí)，例如新疆沙漠地帶，在安裝時(shí)應(yīng)該適當(dāng)加大軸承徑向游隙。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬(wàn)長(zhǎng)森.滾動(dòng)軸承的分析方法[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版，1983.

[2]郭攀成.圓柱滾子軸承徑向工作游隙影響因素及選擇[J].軸承，2005（08）：8-10.

[3]機(jī)械工程手冊(cè)電機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)（第2版）：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[4]于淑政，夏浩.溫度對(duì)石油鉆井機(jī)械軸承的影響[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（04）：101-102.

[5]ISO 281：2007 Rolling bearings：dynamie load ratings and rating life[S].

[6]孫春一，金世哲.考慮徑向游隙的滾動(dòng)軸承修正額定壽命計(jì)算[J].潤(rùn)滑與密封，2012（10）：100-101.

作者簡(jiǎn)介：楊旭輝（1975-），男，河南漯河人，本科，研究方向：機(jī)械制造。