楊旭輝 夏浩

摘 要：鉆井機械工作環(huán)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(qū)，潤滑面臨很大挑戰(zhàn)。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(xù)的作業(yè)的過程，一旦發(fā)生故障將會帶來嚴重的經(jīng)濟損失。石油鉆井機械大部分屬于傳動大型設備，易發(fā)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(fā)現(xiàn)設備故障有重大經(jīng)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(jù)油區(qū)分布和儲藏量來確定數(shù)量和位置，在中原地區(qū)一般一個鉆井平臺一年累計十口左右，主要根據(jù)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(qū)，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(shù)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(shù)箱、傳動箱、轉盤、絞車等。設備發(fā)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(xiàn)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(huán)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?shù)貧夂驐l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(nèi)變動。但是滾動軸承的內(nèi)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?shù)挠蜗?，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(shù)，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(nèi)圈最小處。滾動體與軸承內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)圈、外圈之間的最小油膜厚度為[3]：

式中：為潤滑油壓粘系數(shù)，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(nèi)外圈之間的平均線速度，mm/s；為當量半徑，mm；滾動體與內(nèi)圈的當量半徑（為內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)圈、外圈都增加顯現(xiàn)，由于熱傳導現(xiàn)象，內(nèi)外圈溫度出現(xiàn)差異。由于外圈的面積大于內(nèi)圈的表面積，散熱較快，這樣內(nèi)圈溫度低于外圈溫度，因此內(nèi)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(xù)高溫，也就應該更換了。

式中：為軸承鋼的線膨脹系數(shù)，1/0C，對于鋼材=1.12×10-5；為內(nèi)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(jù)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(shù)；——為可靠度壽命修正指數(shù)；——壽命修正系數(shù)；——污染系數(shù)；——疲勞載荷極限；——粘度比，與油膜參數(shù)[6]的關系是。其中油膜參數(shù)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(shù)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(nèi)外圈溫差和滾動體與內(nèi)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(yè)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(yè)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。