石油钻井机械滚动轴承温度与振动的影响

夏 浩， 李 鹏

(漯河食品职业学院 机电系，河南 漯河 462000)

0 石油钻井机械的现状和特点

目前我们浅层石油基本开采殆尽，特别是页岩气的开发，对钻井机械要求越来越高。目前四川新疆各钻井公司，都配备ZJ70钻机，自动化程度也越来越高，但是设备故障维修成本也越来越高。特别是夏季高温，长期的野外露天工作，加之自然条件恶劣，设备故障率比其他季节高1/3。钻井平台一般远离城镇，在荒郊野外钻探，交通不便，设备故障造成的停钻带来的损失越来越大。针对传动设备故障分析，发现80%是滚动轴承损坏造成的，研究温度的改变对滚动轴承的影响，显得格外重要。

石油钻井机械是一种不间断的工作的过程，大部分都是旋转传动机构。钻机机械属于大型设备，容易发生故障的基本都是滚动轴承的损坏。石油钻井机械经常搬家，没有长期固定的工作场地，因此在设计和安装方面都是便于拆装，多次拆装后精度越来越差。钻井机械底座都是钢管焊接而成，加之钻具起落和柴油机、压风机、泥浆泵等造成设备振动声源较多，给设备故障诊断带来干扰。因此开始采用温度和振动仪来综合判断，预防设备故障，但是经常出现误报警，给生产带来很多不便。针对上述情况，研究温度对滚动轴承径向间隙影响，以及间隙对振动的影响综合判断，减少设备故障，做到事前预防和维修，减少经济损失。

1 温度与滚动轴承径向游隙的关系

以绞车滚筒中的NU1048单列圆柱滚子轴承为例，可将轴承的内外圈视为厚壁圆筒(如图1所示)，在配合面处产生的装配应力，内圈承受内压，外圈承受外压。

图1 NU1048单列圆柱滚子轴承

1.1 内圈和外圈的变形量

内圈的外滚道变形量为[1]：

同样可知外圈的内滚道的径向变形量为：

1.2 温度的变化引起的套圈变形量

轴承工作过程中，经过大约30 min达到热平衡，可以将内圈视为等温体。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T1，外圈外径的温度为T2,T1>T2，根据热传导理论[2]，在任意半径r处的温度为：

根据文献[3]，可以得到外圈内滚道的径向热位移为：

内圈视为等温体，设温度为T3，则内圈外滚道径向热位移为： ΔR1′=αR1T3

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：

则有轴承的径向游隙定义，可得出径向游隙的变化量为：

δ=4×(Δr2+Δr2′-ΔR1-ΔR1′-Δd)

2 分析结果

滚动轴承NU1048的游隙一般出厂游隙是90～250 μm，最大达到420 μm。T1一般约为40 ℃，T2=35 ℃，T3=55 ℃T2。但是在夏季高温或者戈壁沙漠最高分别可以到达80 ℃，75 ℃和90 ℃。根据计算文献[4]，按照正常的游隙和温度计算出的径向游隙为：

δ1=4×(Δr2+Δr2′-ΔR1-ΔR1′-Δd)

=-321.6(μm)

如果按照最大游隙和最高温度则最后的径向游隙，则高温时的径向游隙为：

δ2=4×(Δr2+Δr2′-ΔR1-ΔR1′-Δd)=15.7(μm)

由此结果可见工作游隙有初始的90 μm，随着轴承温度的升高到50 ℃左右工作游隙变成了-321.6 μm，但是轴承温度达到80 ℃左右工作游隙为15.7 μm。因此可见径向游隙随着温度的变化而改变，直接影响轴承径向间隙。这样可能造成润滑不良，磨损加剧，增加高频的振动值，造成误判。

克拉玛依油田夏季地表温度高达四十余度，设备温度更高，润滑脂流失严重，润滑油散热不良，加之容易进沙尘，造成了设备故障频发。但是仅仅依靠轴承工作温度调整轴承径向间隙，能起到一定作用。随着设备的更新，轴承材料和工业的更新，高温轴承能工作温度能达到三百多度，使设备应用更加广泛。但是从滚动轴承振动原理来分析，径向游隙大，轴承固有频率变小，容易发生共振，也造成滚动体受干扰后的跳动量。随着轴承磨损，后期游隙变大，振动变大。从振动来分析，在改变径向间隙对轴承振动的影响，预设更合适的游隙，以便减少设备故障，增加振动仪检测准确性。

3 滚动轴承径向游隙与振动的关系

滚动体振动是轴承因为弹性引起的振动之一，不论哪一种情况，这一振动都是存在的，无法避免。滚动体的弹性振动是轴承振动的主要指标之一，对于单一滚动轴承来说，只要工作载荷一定，影响滚动体振动的也只有轴承的径向间隙了。

根据轴承运动学，可知滚动体通过滚动轴承外圈固定一点的频率为：

式中：ft为滚动体通过频率；fi为内圈旋转频率；d为滚动体直径；D0为滚动体球心运动轨迹直径；β为轴承接触角；Z为轴承中滚动体的数目。

通过公式可以看出，滚动体通过轴承外圈固定一点的频率与轴承的径向游隙有直接的关系，随着滚动轴承径向游隙变大，振动频率略有增加。因此可以得到，随着温度的变化，轴承径向游隙改变，直接影响轴承的振动。轴承后期磨损较严重，轴承温度也变高，加上外界温度较高，散热不良，温升加剧，径向游隙变下，振动频率减小，容易作出误判。

根据ISO281:2007《滚动轴承为额定动载荷和额定寿命》中给出的修订额定寿命公式[5]：

式中：Lnm为额定寿命；L10为基本额定寿命：C为基本额定动载荷；P为当量动载荷；ε为寿命指数；α1为可靠度寿命修正指数；αISO为寿命修正系数；e0为污染系数；cu为疲劳载荷极限；κ为粘度比，与油膜参数[6]Λ的关系是κ=Λ1.3。其中油膜参数等于最小油膜厚度与滚动接触表面的粗糙度的均方根之比。

由修正额定寿命计算公式可以看出，额定寿命通过寿命修正系数与最小油膜厚度相关，最小油膜厚度与径向游隙紧密相关，因此安装时应该加上最小油膜厚度考虑径向游隙。

4 结 语

由此可见，轴承的额定寿命与最小油膜厚度有直接关系，最小油膜厚度有径向游隙相关。如果存在轴承运行温差大，轴承某个阶段可能造成干摩擦，加剧振动和磨损，造成不可挽回的损失。在设置轴承安装径向间隙时，针对设备不同地区使用条件，合理选择径向游隙。在正常运行时，发现设备振动异常，及时检测温度来综合判断轴承是否正常。根据实振动频率和轴承温度综合判断，很大程度上减少了误判，推进了振动仪推广使用，很大程度减少了事后维修。

参考文献：

[1] 张 勇.高速旋转的滚动轴承工作游隙影响因素的分析[J].应用科学学报,2005,6(23):35-39.

[2] 林瑞泰.热传导理论与方法[M].天津:天津大学出版社,1992.

[3] 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[D].合肥:合肥工业大学,2001.

[4] 于淑政,夏 浩.温度对石油钻井机械轴承的影响[J].机械研究与应用，2012(4):101-102.

[5] 孙春一,金世哲.考虑径向游隙的滚动轴承修正额定寿命计算[J].润滑与密封，2012(10):100-101.

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