钻井机械滚动轴承温度对润滑的影响

杨旭辉 夏浩

摘 要：钻井机械工作环境恶劣，基本都是在露天场所，特别是沙漠戈壁温差大的地区，润滑面临很大挑战。温度不仅影响润滑脂的粘度，对轴承的径向游隙也有影响，温度升高，径向游隙变小，加剧了轴承磨损。本文通过温度对滚动轴承径向间隙的影响，给润滑造成的不良影响，为轴承安装使用提供帮助。

关键词：钻井机械；温度；径向游隙；润滑

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

1 引言

石油钻井机械是一种连续的作业的过程，一旦发生故障将会带来严重的经济损失。石油钻井机械大部分属于传动大型设备，易发生故障的部件主要是轴承。因此对钻井机械滚动轴承的故障诊断变得越来越重要，能否预防以及提前发现设备故障有重大经济效益。本文通过温度变化对轴承径向游隙的影响，进一步影响润滑油膜，造成的轴承磨损的探讨，进一步减少目前存在的轴承故障。

2 石油钻井机械工作特点

油井根据油区分布和储藏量来确定数量和位置，在中原地区一般一个钻井平台一年累计十口左右，主要根据地质特点，钻进速度不一。我国油井位置较分散，不像西亚地区，原油藏量大而且集中，油井都是一字排列，钻井设备搬家安装次数较少。我们钻井公司基本每口油井都需要搬家，完钻拆除设备，搬到新油井位再次安装。

钻井设备特点是频繁拆装，而且大多都是传动设备，例如典型的变数箱、传动箱、转盘、绞车等。设备发生故障最多的就是滚动轴承，其中能达到轴承设计使用寿命的寥寥无几。出现故障最多的就是滚动轴承疲劳点蚀和磨损，主要是轴承工作环境振动大以及轴承径向游隙改变造成的。

我国油田分布较广，从设备运行工作条件，典型的有东北油田寒温带气候、中原油田的暖温带气候、江苏油田的亚热带气候、青海和新疆的温带大陆性气候。设备运行轴承的轴承温度与当地气候条件有很大的关系，特别是露天场所，更加重要。轴承的温度升高，轴承的径向游隙改变，润滑条件变化，最终造成轴承的损坏。

3 轴承的径向游隙

理论上未来轴承对轴精确的同心引导，希望理想的工作时，滚动体和滚道之间没有径向游隙，或者在很小的范围内变动。但是滚动轴承的内圈温度和轴承外圈温度有差异[1]，受到不同的因素影响，往往在设计时留有适当的游隙，来确保滚动轴承在一定温差下能正常的工作。

滚动轴承的径向游隙是滚动轴承的一个重要参数，特别是安装时是否合理，对滚动体的最大载荷分布影响很大。另外径向游隙对滚动轴承的摩擦、振动、噪声、温升等影响很大，最终影响轴承的使用寿命。

4 轴承的径向游隙与润滑的关系

滚动轴承正常运转时，滚动体最大载荷处也就是滚动体和轴承内圈最小处。滚动体与轴承内圈、滚动体与轴承外圈之间的润滑，主要有润滑膜对滚动体接触表面的分离程度。在轴承工作情况一定的情况下，分离程度往往有最小油膜hmin决定。因为有最小油膜厚度决定，是轴承径向游隙减小，减少值等于轴承滚动体和内圈、外圈之间的油膜厚度[2]。完全弹性流体润滑情况下，载荷全部有油膜承担。实际情况是轴承在工作时滚动体和内外圈多属于混合润滑，载荷由本体和油膜一起承担。

采用Dowsow-Higginson公式计算滚动体和内圈、外圈之间的最小油膜厚度为[3]：

式中：为润滑油压粘系数，1/MPa，取=2.2*10-2；为润滑油在大气压力下的动力粘度，MPa.s；v为滚动体和内外圈之间的平均线速度，mm/s；为当量半径，mm；滚动体与内圈的当量半径（为内圈滚道半径，为外圈滚道半径），滚动体与外圈的当量半径（为外圈滚道半径）；W为滚动体与内外滚道先接触单位长度上的载荷，N/mm；为材料的综合弹性模量，MPa，=1.0989E，E为弹性模量。利用（1）可以分别计算出滚动体与内外圈滚道之间的最小油膜厚度，径向游隙减少量为：

5 滚动轴承径向游隙与温度的关系

滚动轴承在使用过程中，特别是夏季高温，加之散热不良，轴承在运转过程中摩擦加剧温升。温度升高，滚动体和内圈、外圈都增加显现，由于热传导现象，内外圈温度出现差异。由于外圈的面积大于内圈的表面积，散热较快，这样内圈温度低于外圈温度，因此内圈的热膨胀量大于外圈，这样轴承正常工作时径向游隙比安装时要小[4]。温度升高，径向游隙进一步减小，造成磨损加剧，这也是轴承持续高温，也就应该更换了。

式中：为轴承钢的线膨胀系数，1/0C，对于钢材=1.12×10-5；为内外圈的温度差，一般取8-100C。

6 滚动轴承使用寿命与最小油膜关系

根据ISO281：2007《滚动轴承——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——额定寿命；——基本额定寿命：C——基本额定动载荷；P——当量动载荷；——寿命指数；——为可靠度寿命修正指数；——寿命修正系数；——污染系数；——疲劳载荷极限；——粘度比，与油膜参数[6]的关系是。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。

7 实例

例如NU238圆柱滚子轴承为例，标准径向游隙为65-135。

带入（2）式中，=3.79

带入（3）式中，=61.18（=9）

径向游隙=+=64.97

因此可以看出，轴承在37度时，滚动轴承能够正常工作。当滚动轴承工作温度达到76度时径向游隙达到137。因此当滚动轴承润滑不良，温度升高，轴承摩擦磨损严重，最终导致轴承烧伤。

滚动轴承径向游隙影响因素较多，本文只是采用影响较大的内外圈温差和滚动体与内外圈的弹性变形量。此法计算出来的参考值，可以看出当轴承工作温度较高时，例如新疆沙漠地带，在安装时应该适当加大轴承径向游隙。

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，1983.

[2]郭攀成.圆柱滚子轴承徑向工作游隙影响因素及选择[J].轴承，2005（08）：8-10.

[3]机械工程手册电机工程手册编委会.机械工程手册（第2版）：机械设计基础卷[M].北京：机械工业出版社，1996.

[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（04）：101-102.

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

[6]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.

作者简介：杨旭辉（1975-），男，河南漯河人，本科，研究方向：机械制造。