温度对石油钻井机械轴承的影响.pdf

机械研究与应用 2 o 1 2 年 第4 期 总 第1 2 0 期 应用与试验 温度对石油钻 井机械轴承的影响 于淑 政 ， 夏浩 河北工程 大学 机 电学院， 河北 邯郸0 5 6 0 3 8 摘要 石 油钻 井机械 工作环境恶劣 ， 特别是在沙漠等 温差 大的地方 ， 设备的轴承 易损坏 。为减 少不必要 的轴承故障 ， 通过对轴承的工作径向游隙的分析计算得出常温和高温情况下有很大的变化。根据分析结果在以后工作中 可以根据设备 的工作环境来调整轴承 的初始径 向游隙 ， 达到减少设备故 障率的 目的。 关键词 石油机械 ； 轴承 ； 径 向间隙； 温度 中图分类号 I E 9 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 4 1 4 2 0 1 2 0 4 - 0 1 0 1 - 0 2 The i n flu e n c e o f t e mpe r a t ur e o n o i l -d r i l l i ng m a c hi n e r y be a r i n g YU S h uz h e n g．Xi a Ha o S c h o o l o fm e c h a n i c a l a n d e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ， H e b e i u n i v e r s i t y ofe n g i n e e r i n g ， H a n d a n H e b e i 0 5 6 0 3 8， C h i n a Ab s t r a c t Oi l - d r i l l i n g ma c h i n e r y wo r k i n g e n v i r o n me n t i s v e r y p o o r ， e s p e c i a l l y t h e r a n g e o f t e mp e r a t u r e h a s b i g d i ff e r e n c e i n t h e d e s e r t ， t h e b e a r i n g of t h e ma c h i n e r y i s e a s i l y d a ma g e d ．I n o r d e r t o r e d u c e u n n e c e s s a r y be a r i n g f a i l u re ，i t h as c h a n g e d g r e a tl y w h e n i t i n t h e n o r ma l a n d t h e h i g h t e mp e r a t u r e b y a n aly z i n g t h e r a d i al c l e a r a n c e ．S o a c c o r d i n g t o t h e wo r k e n v i r o n me n t t h e b e a r i n g s r a d i a l c l e a r anc e c a n b e a d j u s t e d a n d r e d u c e t h e e q u i p m e n t f a i l u r e r a t e ． K e y wo r d s p e t rol e u m ma c h i n e ry； b e a ti n g ； r a d i al c l e a r a n c e ； t e mp e r a t u r e 1 钻井机械工作特点 石油钻井机械需要连续作业 ， 一旦发生故障将会 带来重大经济损失 。石油钻井机械属于大型设备 ， 多 为旋转机构， 易发生故障的部件主要是轴承， 因此对 钻井设备滚动轴承进行故障诊断具有现实意义。 石油钻井设备长期在野外环境 工作 ， 条件恶劣。 特别是在沙漠 ， 戈壁等温差很大的地方 ， 设备面临着 更大的考验 。在连续工作的情况下 ， 承受长期的露天 环境 ， 频繁的搬家安装 ， 较大的载荷变化 ， 润滑不 良的 情况下 ， 轴承更易损坏。每次需要大修设 备 8 0 ％都 因轴承损坏。因此找出轴承损坏 的主要原 因对降低 轴承 的故障十分迫切 。 石油钻井公司的设备都是厂家调试好的， 因此问 题主要出在设备的使用过程中。轴 承工作游隙情况 的好坏直接影响设备 的运转。对于钻井设备在野外 安装精度不高， 底座抗震性不好， 大型柴油机运转容 易受外界影响， 因此对轴承进行轴 向定位时， 往往采 取一端定位， 一端游动 ， 这样避免轴承卡死。因此对 轴承游隙影响较大的就是径 向游隙， 下面对轴承的径 向游隙进行分析。 2 轴 承的径 向游隙 理论上为保证对轴精确的同心引导， 希望工作状 态时轴承的滚动体和滚道之间没有径向间隙， 或径向 间隙在很小的范围内变动。但是轴承 内圈和外圈的 温度差会引起不同的热膨胀及其他因素影响 ， 设计时 往往留有恰当的游隙， 以确保轴承在一般情况下的正 常工作 。但是在条件恶劣 ， 温差很大情况下往往需要 调整径 向游隙。 以滚动轴承为例， 在运转过程中， 由滚动体和滚 道等处 的摩擦产生的热 ， 使轴承的温度高于相邻零件 的温度， 从而使轴承内圈膨胀 ， 与轴的配合变松 ， 外圈 与轴承座的配合变紧， 因此引起轴承游隙的变化 ， 影 响轴承的旋转精度和承载能力。 图1 N 4 1 6单列圆柱滚子轴承 工作游隙的变化主要受轴承的温度变化 、 离心力 和配合等因素的影响。轴承的工作温度 主要取决轴 承本身产生的热量和向周围扩散的热量 ， 当产生的热 量和交换 的热量达到热平衡时 ， 轴颈、 轴承和轴承座 的温度都可到达稳定状态。 以绞车滚筒 中 N 4 1 6单列圆柱滚子轴 承为例 ， 可 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者简介 于淑政 1 9 6 3 - ， 男 ， 河北邯郸人 ， 硕士 ， 主要从事煤矿机械设计及理论方面的研究工作。 1 Ol 应用与试验 2 0 1 2 年 第4 期 总 第1 2 0 期 杌械 研究与 应用 将轴承的内外圈视为厚壁圆筒 如图 1 ， 在配合面处 产生的装配应力 ， 内圈承受内压 ， 外圈承受外压。 2 ． 1 内圈和外圈的变形置 内圈的外滚道变形量为 J △R Ⅱ， p [ 1 一 R 2 1 “ ] 4 E R 一 外圈的内滚道的径向变形量为 2R22 r 2 P2 Ar 2 Ur 2 2 2 2 ． 2温度的变化引起的套圈变形量 轴承工作过程中， 经过大约 0 ． 5 h可达到热平衡 ， 可将内圈视为等温体。外圈和轴承座散热条件较好 ， 且外圈内外壁之间存在温差 ， 可以看做非均匀稳定温 度场。设外圈内滚道的温度为 ， 外圈外径的温度为 ， ， 根据热传导理论 在任意半径 r 处的温度 为 i T 孺2 - T l ln 争 根据文献 [ 4 ] ， 可得外圈内滚道的径向热位移 为 r z t 尺 ； 一 T 1 r 一 T I r 2 ■ 一 内圈视为等温体 ， 设温度为 ， 则 内圈外滚道径 向热位移为 A R 。 a R 。滚动体的工作温度取外 圈内滚道和内圈外滚道的平均值， 则滚动体的径向变 化量为 Ad如 则由轴承的径向游隙定义， 可得出径向游隙的变 化量为 64 x Ar 2 Ar 2 - AR1 - AR 1 - Ad 式中 P 。 为内圈承受 的内压 ； P 2为外圈承受 的外压 ； 为轴承套圈的弹性模量 2 ． 0 7 x 1 0 M P a ； Ⅱ为轴承套 圈的泊松比， 0 ． 3 ； p为轴承套圈的材料密度， 7 ． 8 c m ； 为角 速度 ； 为轴 承套 圈材料 的线热膨胀 系 数 ， l 1 ． 6 1 0 1 ／ ℃ ； n为转速 ， 2 0 0 0 r ／ m i n ； R 为 内圈 的外半径， 6 1 mm； r 1 为内圈的内半径 ， 4 0 m m； R 为外 圈的外半 径， 1 0 0 m m； r 为外圈 的内半 径， 8 5 m m； △ 为与轴颈的平均过盈量， 1 9 1 m； △ 为与轴承座的平 均过盈量 ， 8 1x m； d为滚动体的直径， 2 4 m m。 1 0 2 3 分析 结果 轴承的游隙一般出厂设置为 1 O～ 6 0 I x m ， 最大 达到 8 0 m。T 1 一般约为 4 0 2， 3 5 ℃ ， 5 5 ℃ 。但在夏季 高温或 者戈壁 沙漠 最高 分别 可 到达 8 O ℃， 7 5 q C 和 9 0 ℃。根据计算可得 A R 1 6 ． 5 m， △ r 2 一 3． 0 m ， △r 2 3 6． 8lx m ， AR1 3 8． O m ， Ad 1 3． 2 m 。 按照正常的游隙和温度计算出的径向游隙为 1 4 x △ r 2 A r 2 一 A R 1 - A R l - A d - 9 5 ． 7 m 如果按照最大游隙和最高温度则最后的径向游 隙 A R 1 6 ． 5 m， △ r 2 - 3 ． O m，A r 2 4 5 ． 7 m， △ 1 6 2． 2 m ， Ad2 3． 6 m 。 则高温时的径向游隙为 6 2 4 x A r 2 A r 2 - A R l - A R l - A d 一 1 9 8 ． 4 m 由此可见工作游 隙有 初始 的 3 ． 5 Ix m， 随着轴承 温度的升高到 5 0 ℃左右工作游隙变成 了一 9 5 ． 7 t x m， 但是轴承温度达到 8 0 ℃左右工作游隙达 到了一 1 9 8 ． 4 1x m， 有安装游隙 的 l 0～6 0 I x m ， 到正 常运 转时 一 9 5 ． 7 m， 这样按理应该加大初始游隙 ， 安装游隙应选 最大组 7 08 O Ix m 。但是 如果在 高温 的工作环境 正常工作游隙为一 1 9 8 ． 4 m， 即使选择最大组安装游 隙， 也很容易造成轴承径向间隙过小 ， 造成轴承烧死。 由此可见初始安装游隙应该根据具体的工作环境来 确定 ， 这样才能发挥设备的最佳效益。 4 结 论 因此经常在高温地区工作的轴承， 应该要求轴承 厂家按工作条件生产合适的初始径 向间隙的轴承 。 现在用的轴承都是标准件 ， 考虑的都是常温条件 ， 但 是在高温情况下该标准的间隙过小， 这也是夏季高温 设备轴承容易损坏的原 因， 因此设备安装时要根据工 作情况选择合适 的初始游隙。由于钻井机械振动大 ， 夏季润滑脂流失严重 ， 更易引起润滑不 良， 摩擦严重 ， 轴承温度升高 ， 因此夏季成为设备故障的高发期 。所 以应该根据设备的工作环境合理选择轴承的初始游 隙， 减少设备故障率。 参考文献 [ 1 ] 万长森． 滚动轴承的分析方法 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 9 8 3． [ 2 ] 张勇． 高速旋转的滚动轴承工作游戏影响因素的分析[ J ] ． 应 用科学学报 ， 2 0 0 5 ， 6 2 3 3 5 3 9 ． [ 3 ] 林瑞泰． 热传导理论与方法 [ M] ． 天津 天津大学 出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 4 ] 胡鹏浩． 非均匀温度场中的机械零部件热变形的理论及应用研 究[ J ] ． 合肥工业大学 ， 2 0 0 1 3 4 3 - 5 4 ．