鉆井機械滾動軸承溫度對潤滑的影響

楊旭輝 夏浩

摘 要：鉆井機械工作環境惡劣，基本都是在露天場所，特別是沙漠戈壁溫差大的地區，潤滑面臨很大挑戰。溫度不僅影響潤滑脂的粘度，對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。本文通過溫度對滾動軸承徑向間隙的影響，給潤滑造成的不良影響，為軸承安裝使用提供幫助。

關鍵詞：鉆井機械；溫度；徑向游隙；潤滑

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

1 引言

石油鉆井機械是一種連續的作業的過程，一旦發生故障將會帶來嚴重的經濟損失。石油鉆井機械大部分屬于傳動大型設備，易發生故障的部件主要是軸承。因此對鉆井機械滾動軸承的故障診斷變得越來越重要，能否預防以及提前發現設備故障有重大經濟效益。本文通過溫度變化對軸承徑向游隙的影響，進一步影響潤滑油膜，造成的軸承磨損的探討，進一步減少目前存在的軸承故障。

2 石油鉆井機械工作特點

油井根據油區分布和儲藏量來確定數量和位置，在中原地區一般一個鉆井平臺一年累計十口左右，主要根據地質特點，鉆進速度不一。我國油井位置較分散，不像西亞地區，原油藏量大而且集中，油井都是一字排列，鉆井設備搬家安裝次數較少。我們鉆井公司基本每口油井都需要搬家，完鉆拆除設備，搬到新油井位再次安裝。

鉆井設備特點是頻繁拆裝，而且大多都是傳動設備，例如典型的變數箱、傳動箱、轉盤、絞車等。設備發生故障最多的就是滾動軸承，其中能達到軸承設計使用壽命的寥寥無幾。出現故障最多的就是滾動軸承疲勞點蝕和磨損，主要是軸承工作環境振動大以及軸承徑向游隙改變造成的。

我國油田分布較廣，從設備運行工作條件，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。設備運行軸承的軸承溫度與當地氣候條件有很大的關系，特別是露天場所，更加重要。軸承的溫度升高，軸承的徑向游隙改變，潤滑條件變化，最終造成軸承的損壞。

3 軸承的徑向游隙

理論上未來軸承對軸精確的同心引導，希望理想的工作時，滾動體和滾道之間沒有徑向游隙，或者在很小的范圍內變動。但是滾動軸承的內圈溫度和軸承外圈溫度有差異[1]，受到不同的因素影響，往往在設計時留有適當的游隙，來確保滾動軸承在一定溫差下能正常的工作。

滾動軸承的徑向游隙是滾動軸承的一個重要參數，特別是安裝時是否合理，對滾動體的最大載荷分布影響很大。另外徑向游隙對滾動軸承的摩擦、振動、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滑的關系

滾動軸承正常運轉時，滾動體最大載荷處也就是滾動體和軸承內圈最小處。滾動體與軸承內圈、滾動體與軸承外圈之間的潤滑，主要有潤滑膜對滾動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。因為有最小油膜厚度決定，是軸承徑向游隙減小，減少值等于軸承滾動體和內圈、外圈之間的油膜厚度[2]。完全彈性流體潤滑情況下，載荷全部有油膜承擔。實際情況是軸承在工作時滾動體和內外圈多屬于混合潤滑，載荷由本體和油膜一起承擔。

采用Dowsow-Higginson公式計算滾動體和內圈、外圈之間的最小油膜厚度為[3]：

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

5 滾動軸承徑向游隙與溫度的關系

滾動軸承在使用過程中，特別是夏季高溫，加之散熱不良，軸承在運轉過程中摩擦加劇溫升。溫度升高，滾動體和內圈、外圈都增加顯現，由于熱傳導現象，內外圈溫度出現差異。由于外圈的面積大于內圈的表面積，散熱較快，這樣內圈溫度低于外圈溫度，因此內圈的熱膨脹量大于外圈，這樣軸承正常工作時徑向游隙比安裝時要小[4]。溫度升高，徑向游隙進一步減小，造成磨損加劇，這也是軸承持續高溫，也就應該更換了。

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

6 滾動軸承使用壽命與最小油膜關系

根據ISO281：2007《滾動軸承——額定動載荷和額定壽命》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——基本額定動載荷；P——當量動載荷；——壽命指數；——為可靠度壽命修正指數；——壽命修正系數；——污染系數；——疲勞載荷極限；——粘度比，與油膜參數[6]的關系是。其中油膜參數等于最小油膜厚度與滾動接觸表面的粗糙度的均方根之比。

由修正額定壽命計算公式可以看出，額定壽命通過壽命修正系數與最小油膜厚度相關，最小油膜厚度與徑向游隙緊密相關，因此安裝時應該加上最小油膜厚度考慮徑向游隙。

7 實例

例如NU238圓柱滾子軸承為例，標準徑向游隙為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，滾動軸承能夠正常工作。當滾動軸承工作溫度達到76度時徑向游隙達到137。因此當滾動軸承潤滑不良，溫度升高，軸承摩擦磨損嚴重，最終導致軸承燒傷。

滾動軸承徑向游隙影響因素較多，本文只是采用影響較大的內外圈溫差和滾動體與內外圈的彈性變形量。此法計算出來的參考值，可以看出當軸承工作溫度較高時，例如新疆沙漠地帶，在安裝時應該適當加大軸承徑向游隙。

參考文獻：

[1]萬長森.滾動軸承的分析方法[M].北京.機械工業出版，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]機械工程手冊電機工程手冊編委會.機械工程手冊（第2版）：機械設計基礎卷[M].北京：機械工業出版社，1996.

[4]于淑政，夏浩.溫度對石油鉆井機械軸承的影響[J].機械研究與應用，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軸承修正額定壽命計算[J].潤滑與密封，2012（10）：100-101.

作者簡介：楊旭輝（1975-），男，河南漯河人，本科，研究方向：機械制造。