一種石油井下發電機軸承效率的計算

撰文/侯得崇

■100074 北京航天三發高科技有限公司 北京

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一種石油井下發電機軸承效率的計算

撰文/侯得崇

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本文主要計算一種泥漿發電機的滾動軸承摩擦、發熱、潤滑引起的損失，確定滾動軸承的效率。發電機；滾動軸承效率

一種泥漿發電機是一種井下發電裝置，由于對其功率要求高加上空間、溫度限制，給設計工作帶來較大的難度，為了能夠滿足使用要求，本文從理論上對大功率泥漿發電機轉子的滾動軸承利用效率進行計算。

發電機轉子結構圖及其相關計算參數

①發電機轉子部分結構參數圖

發電機轉子部分結構參數如圖1所示。

②計算所用參數

轉子轉速：（1500～8200）rpm；轉子負載：（6.642～2.6）N·m，6400rpm時轉子負載為2.83N·m；轉子端部外徑：28mm。

理論計算

滾動軸承的效率主要受運動當中滾動接觸摩擦、滾動體與保持架在接觸區域的滾動摩擦和滑動摩擦、潤滑劑的摩擦、接觸式密封的滑動摩擦、滾動軸承的發熱導致的功率損失等。

①摩擦導致滾動軸承效率損失的計算

由于發電機所選擇的滾動軸承的載荷接近于基本額定動載荷的10%，即P=0.1C，軸承載荷受純徑向載荷，轉速為n≈0.5nj（nj為極限轉速）。在充分潤滑，油的粘度為（30～35）cst和運轉正常的情況下，摩擦力矩按下式計算：

式中：M：軸承的摩擦力矩，N· mm；μ：軸承摩擦系數；F：軸承載荷；d：軸承內徑，mm。

對于上述工作條件不同時，軸承總的摩擦力矩必 須由與軸承載荷無關的摩擦力矩M0和與載荷有關的摩擦力矩M1相加，即：

圖1　轉子部分結構圖

M0的計算：摩擦力矩M0主要由于在高速度輕載荷下軸承潤滑流體動力損耗引起，與載荷無關。其取決于充分的潤滑，潤滑粘度和軸承運轉速度。M0的計算公式為：

本公式適用于γn≥2000，如果γn<2000，須用下列公式：

M1的計算：摩擦力矩M1主要由于在載荷作用下，軸承運轉速度低，接觸表面的彈性變形并有微量的潤滑引起。M1按下列公式計算：

有起動力矩要求時，一般取2倍M1值或更高。

摩擦引起的效率損失為：

式中：1η：摩擦引起的效率損失：M：摩擦力矩，N·mm；M′：輸入力矩（負載），N·mm。

②軸承的溫升引起的效率損失

滾動軸承的摩擦是決定軸承發熱和運行溫度的關鍵因素。滾動軸承的摩擦損失在軸承內部幾乎都變為熱量，因而致使軸承溫度上升，溫度上升也會導致功率的損失，由于井下環境條件惡劣，軸承轉動產生的熱量無法及時有效散出，故對發熱產生的效率損失應考慮在內。摩擦力矩造成的發熱量可用下列公式表示：

式中：Q：發生熱量，kW；M：摩擦力矩，N·mm；n：軸承轉速，rpm。

結束語

經過理論計算與實際試驗發現，滾動軸承的效率相對較高，滿足實際使用要求。

參考：

［1］哈爾濱軸承制造有限公司.《滾動軸承》

［2］成大先.《機械設計手冊》第2卷（第4版），化學工業出版社，2002年

［4］張淳，呂延杰.《內齒行星齒輪減速器的軸承效率分析》