鐵路軸承在游梁式抽油機中的應用

□ 張龍洋 □ 林樹軍 □ 張全斌

蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司 蘭州 730314

1 應用背景

游梁式抽油機具有結構簡單、運行平穩、維修方便等特點,至今仍在國內外油田中大量使用。游梁式抽油機主要應用于人煙稀少、環境較為惡劣的地方,較長的使用壽命與較低的維修率是目前油田的需求。軸承是抽油機中的易損零件,延長使用壽命是游梁式抽油機設計的基本方向。筆者介紹了鐵路軸承在游梁式抽油機中的應用效果,為設計長壽命游梁式抽油機提供依據與指導。

2 鐵路軸承概述

鐵路軸承為雙列圓錐滾子軸承,主要用于機車軸箱。美國ND5內燃機車上使用的是AP型軸承,該類軸承為英制尺寸,通常用的有B、C、D、E、F、G等級,分別用于不同等級的車軸。鐵路軸承的結構如圖1所示,組成部件主要包括內圈、外圈、內隔圈、保持架、圓錐滾子、密封組成、密封座。

圖1 鐵路軸承結構

鐵路軸承自帶密封結構和預調整游隙,可以簡化安裝過程。鐵路軸承在不受到外部載荷作用時,軸承套圈滾道與圓錐滾子之間為線接觸。密封件在軸承內圈上,可以完全避免內側列軸承內圈大端面與后擋之間的微振磨損顆粒進入軸承內部,大大改善軸承內部的運行環境,并且避免由于雜質引起的軸承早期損壞。

便軸承的安裝,減少由于安裝不當造成的應用性能降低,提高安裝質量和工作效率。

3 壽命計算對比

對于鐵路軸承而言,一般運行速度在200 km/h以下,質保期為90萬km或4 a,運行達到10 a或280萬km必須報廢。機車的車輪直徑內燃機車為1 050 mm,電力機車為1 250 mm,客車為910 mm。選取內燃機車車輪直徑1 050 mm,以游梁式抽油機最高沖次20沖/min為例,在滿足載荷條件下進行額定壽命的對比計算。

3.1 鐵路軸承

計算鐵路軸承的額定轉數Z1,得:

式中:L為內燃機車總行駛里程;C為內燃機機車車輪直徑。

游梁式抽油機最高沖次為20沖/min,如果游梁式抽油機在最高沖次下工作,那么額定使用壽命N1為:

N1=Z/20=227 479 h

3.2 圓柱滾子軸承

以C-228D-246-86型抽油機為例,游梁支撐處選用NJ2330 型圓柱滾子軸承,其額定動負荷C1為930 kN。根據受力計算額定載荷最大沖程下所受到的最大力為29 099 N。

計算游梁支撐處圓柱滾子軸承的額定壽命N2,得:

式中:n為轉速;P為當量動載荷,即29 099 N;ft為溫度因數,工作溫度不高于100 ℃,取1;fp為載荷因數,沖擊較大,取1.5。

尾端處選用22 326圓柱滾子軸承,其額定動負荷為722 kN。

根據受力計算額定載荷最大沖程下所受到的最大力為24 320 N,由此計算尾端處圓柱滾子軸承的額定壽命為173 145 h。

通過以上理論計算可知,游梁式抽油機選取鐵路軸承,使用壽命長于圓柱滾子軸承的使用壽命。

4 應用效果

B、C、D、E、F、G各級鐵路軸承應用于游梁式抽油機,正好可以滿足從114型到912型不同載荷下的抽油機設計。鐵路軸承主要用于游梁式抽油機尾端軸承及游梁支撐兩個部件中。456型抽油機如圖2所示,游梁支撐應用鐵路軸承后的結構如圖3所示。與原有游梁支撐結構相比較,應用鐵路軸承結構改動較大。將鐵路軸承分布在軸承座兩側,由于鐵路軸承自帶密封,因此減少了軸承蓋的設計。密封形式采用動態迷宮式密封或最新一代無接觸式密封。內外圈和滾子表面均采用表面滲碳技術處理,使軸承能更好地適應頻繁振動的情況。

圖2 456型抽油機

圖3 游梁支撐應用鐵路軸承結構

對于尾端軸承,在原有結構的基礎上,將圓柱滾子軸承改為鐵路軸承,能延長使用壽命。軸承密封依然采用鐵路軸承自帶的密封結構,方便軸承安裝。尾端軸承應用鐵路軸承后的結構如圖4所示。

圖4 尾端軸承應用鐵路軸承結構

2015年,美國一油田與筆者單位簽訂20余臺游梁式抽油機訂單,筆者作為游梁式抽油機的主要設計人員,綜合考慮礦場應用的環境工況、人工成本等因素,為延長游梁式抽油機使用壽命,降低檢修頻率,將鐵路軸承應用于游梁式抽油機,代替尾端軸承和游梁支撐中的常規圓柱滾子軸承。2016年初發貨后至今,一直在美國油田正常運行。根據反饋,沒有出現與軸承相關的問題,大大降低了維護、檢修及人工成本,減小了對油田正常生產的影響。

5 結束語

通過在游梁式抽油機游梁支撐與尾端軸承處應用鐵路軸承,能夠延長使用壽命,提高游梁式抽油機的整體安全性,從而避免因軸承損壞帶來的停機事故,避免不必要的損失,以更好滿足市場需求。