夏 浩， 李 鵬

(漯河食品職業(yè)學(xué)院 機電系，河南 漯河 462000)

0 石油鉆井機械的現(xiàn)狀和特點

目前我們淺層石油基本開采殆盡，特別是頁巖氣的開發(fā)，對鉆井機械要求越來越高。目前四川新疆各鉆井公司，都配備ZJ70鉆機，自動化程度也越來越高，但是設(shè)備故障維修成本也越來越高。特別是夏季高溫，長期的野外露天工作，加之自然條件惡劣，設(shè)備故障率比其他季節(jié)高1/3。鉆井平臺一般遠離城鎮(zhèn)，在荒郊野外鉆探，交通不便，設(shè)備故障造成的停鉆帶來的損失越來越大。針對傳動設(shè)備故障分析，發(fā)現(xiàn)80%是滾動軸承損壞造成的，研究溫度的改變對滾動軸承的影響，顯得格外重要。

石油鉆井機械是一種不間斷的工作的過程，大部分都是旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)。鉆機機械屬于大型設(shè)備，容易發(fā)生故障的基本都是滾動軸承的損壞。石油鉆井機械經(jīng)常搬家，沒有長期固定的工作場地，因此在設(shè)計和安裝方面都是便于拆裝，多次拆裝后精度越來越差。鉆井機械底座都是鋼管焊接而成，加之鉆具起落和柴油機、壓風(fēng)機、泥漿泵等造成設(shè)備振動聲源較多，給設(shè)備故障診斷帶來干擾。因此開始采用溫度和振動儀來綜合判斷，預(yù)防設(shè)備故障，但是經(jīng)常出現(xiàn)誤報警，給生產(chǎn)帶來很多不便。針對上述情況，研究溫度對滾動軸承徑向間隙影響，以及間隙對振動的影響綜合判斷，減少設(shè)備故障，做到事前預(yù)防和維修，減少經(jīng)濟損失。

1 溫度與滾動軸承徑向游隙的關(guān)系

以絞車滾筒中的NU1048單列圓柱滾子軸承為例，可將軸承的內(nèi)外圈視為厚壁圓筒(如圖1所示)，在配合面處產(chǎn)生的裝配應(yīng)力，內(nèi)圈承受內(nèi)壓，外圈承受外壓。

圖1 NU1048單列圓柱滾子軸承

1.1 內(nèi)圈和外圈的變形量

內(nèi)圈的外滾道變形量為[1]：

同樣可知外圈的內(nèi)滾道的徑向變形量為：

1.2 溫度的變化引起的套圈變形量

軸承工作過程中，經(jīng)過大約30 min達到熱平衡，可以將內(nèi)圈視為等溫體。外圈和軸承座散熱條件較好，且外圈內(nèi)外壁之間存在溫差，可以看做非均勻穩(wěn)定溫度場。 設(shè)外圈內(nèi)滾道的溫度為T1，外圈外徑的溫度為T2,T1>T2，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論[2]，在任意半徑r處的溫度為：

根據(jù)文獻[3]，可以得到外圈內(nèi)滾道的徑向熱位移為：

內(nèi)圈視為等溫體，設(shè)溫度為T3，則內(nèi)圈外滾道徑向熱位移為： ΔR1′=αR1T3

滾動體的工作溫度取外圈內(nèi)滾道和內(nèi)圈外滾道的平均值，則滾動體的徑向變化量為：

則有軸承的徑向游隙定義，可得出徑向游隙的變化量為：

δ=4×(Δr2+Δr2′-ΔR1-ΔR1′-Δd)

2 分析結(jié)果

滾動軸承NU1048的游隙一般出廠游隙是90～250 μm，最大達到420 μm。T1一般約為40 ℃，T2=35 ℃，T3=55 ℃T2。但是在夏季高溫或者戈壁沙漠最高分別可以到達80 ℃，75 ℃和90 ℃。根據(jù)計算文獻[4]，按照正常的游隙和溫度計算出的徑向游隙為：

δ1=4×(Δr2+Δr2′-ΔR1-ΔR1′-Δd)

=-321.6(μm)

如果按照最大游隙和最高溫度則最后的徑向游隙，則高溫時的徑向游隙為：

δ2=4×(Δr2+Δr2′-ΔR1-ΔR1′-Δd)=15.7(μm)

由此結(jié)果可見工作游隙有初始的90 μm，隨著軸承溫度的升高到50 ℃左右工作游隙變成了-321.6 μm，但是軸承溫度達到80 ℃左右工作游隙為15.7 μm。因此可見徑向游隙隨著溫度的變化而改變，直接影響軸承徑向間隙。這樣可能造成潤滑不良，磨損加劇，增加高頻的振動值，造成誤判。

克拉瑪依油田夏季地表溫度高達四十余度，設(shè)備溫度更高，潤滑脂流失嚴(yán)重，潤滑油散熱不良，加之容易進沙塵，造成了設(shè)備故障頻發(fā)。但是僅僅依靠軸承工作溫度調(diào)整軸承徑向間隙，能起到一定作用。隨著設(shè)備的更新，軸承材料和工業(yè)的更新，高溫軸承能工作溫度能達到三百多度，使設(shè)備應(yīng)用更加廣泛。但是從滾動軸承振動原理來分析，徑向游隙大，軸承固有頻率變小，容易發(fā)生共振，也造成滾動體受干擾后的跳動量。隨著軸承磨損，后期游隙變大，振動變大。從振動來分析，在改變徑向間隙對軸承振動的影響，預(yù)設(shè)更合適的游隙，以便減少設(shè)備故障，增加振動儀檢測準(zhǔn)確性。

3 滾動軸承徑向游隙與振動的關(guān)系

滾動體振動是軸承因為彈性引起的振動之一，不論哪一種情況，這一振動都是存在的，無法避免。滾動體的彈性振動是軸承振動的主要指標(biāo)之一，對于單一滾動軸承來說，只要工作載荷一定，影響滾動體振動的也只有軸承的徑向間隙了。

根據(jù)軸承運動學(xué)，可知滾動體通過滾動軸承外圈固定一點的頻率為：

式中：ft為滾動體通過頻率；fi為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率；d為滾動體直徑；D0為滾動體球心運動軌跡直徑；β為軸承接觸角；Z為軸承中滾動體的數(shù)目。

通過公式可以看出，滾動體通過軸承外圈固定一點的頻率與軸承的徑向游隙有直接的關(guān)系，隨著滾動軸承徑向游隙變大，振動頻率略有增加。因此可以得到，隨著溫度的變化，軸承徑向游隙改變，直接影響軸承的振動。軸承后期磨損較嚴(yán)重，軸承溫度也變高，加上外界溫度較高，散熱不良，溫升加劇，徑向游隙變下，振動頻率減小，容易作出誤判。

根據(jù)ISO281:2007《滾動軸承為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：Lnm為額定壽命；L10為基本額定壽命：C為基本額定動載荷；P為當(dāng)量動載荷；ε為壽命指數(shù)；α1為可靠度壽命修正指數(shù)；αISO為壽命修正系數(shù)；e0為污染系數(shù)；cu為疲勞載荷極限；κ為粘度比，與油膜參數(shù)[6]Λ的關(guān)系是κ=Λ1.3。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(guān)，最小油膜厚度與徑向游隙緊密相關(guān)，因此安裝時應(yīng)該加上最小油膜厚度考慮徑向游隙。

4 結(jié) 語

由此可見，軸承的額定壽命與最小油膜厚度有直接關(guān)系，最小油膜厚度有徑向游隙相關(guān)。如果存在軸承運行溫差大，軸承某個階段可能造成干摩擦，加劇振動和磨損，造成不可挽回的損失。在設(shè)置軸承安裝徑向間隙時，針對設(shè)備不同地區(qū)使用條件，合理選擇徑向游隙。在正常運行時，發(fā)現(xiàn)設(shè)備振動異常，及時檢測溫度來綜合判斷軸承是否正常。根據(jù)實振動頻率和軸承溫度綜合判斷，很大程度上減少了誤判，推進了振動儀推廣使用，很大程度減少了事后維修。

參考文獻：

[1] 張 勇.高速旋轉(zhuǎn)的滾動軸承工作游隙影響因素的分析[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報,2005,6(23):35-39.

[2] 林瑞泰.熱傳導(dǎo)理論與方法[M].天津:天津大學(xué)出版社,1992.

[3] 胡鵬浩.非均勻溫度場中的機械零部件熱變形的理論及應(yīng)用研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2001.

[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(yīng)用，2012(4):101-102.

[5] 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.

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