石油钻井机械滚动轴承温度与振动的影响

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。

可以看出汉语与英语的定语在不同的位置，一个前一个后。这是语言固有的规律，工具tool前置，而定语从句等修饰成分后置。这样基本保持译文与原文内容的对等。

  

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]：

 

 

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

 

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：

农业物料的干燥是一个复杂的传热传质过程，建立干燥模型可以对物料干燥过程作出分析、预测和控制。将不同干燥条件下的干燥变化曲线转变成水分比变化曲线，并对各种干燥模型进行线性化处理，最后进行线性回归与计算，从而选择正确合理的干燥模型。目前，用来描述农业物料整个薄层干燥过程的常见模型有3种[4-5]：

 

 

同样可知外圈的内滚道的径向变形量为：

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)

式中：P1为内圈承受的内压；P2为外圈承受的外压；E为轴承套圈的弹性模量,2.07×105 MPa；u为轴承套圈的泊松比：0.3；ρ为轴承套圈的材料密度，为角速度；α为轴承套圈材料的线热膨胀系数，11.6×10-61/0C；n为转速：2 400 r/min；R1为内圈的外半径，135 mm；r1为内圈的内半径：140.5 mm；R2为外圈的外半径，160 mm；r2为外圈的内半径：153.5 mm；Δ1为与轴颈的平均过盈量，26 为与轴承座的平均过盈量：15 为滚动体的直径，26 mm。

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：

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。

李伟：顺丰的并购逻辑其实很简单，就是看顺丰的市场战略方向在哪里。像冷链、快运、航空快递都是顺丰的市场战略，因为顺丰的并购也在这几个方向上。如果再剖析一下，我认为有2个点很关键。

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)

本文基于产业和空间的综合视角探究文化与旅游业融合的产业升级效应及传导路径，应用中介效应模型和空间计量模型得出以下结论：(1)主效应检验表明，文化与旅游业融合能推动旅游产业升级，该结论在考虑空间相互作用和内生性可能后依然稳健。且旅游产业结构升级具有空间外溢效应，扰动项具有误差冲击效应。(2)中介效应检验表明，文化与旅游产业融合的正向影响存在显著的中介效应，需求扩展路径、技术创新路径、协同集聚路径都是文化与旅游业融合的产业升级效应所产生的重要传导路径，且需求扩展路径、技术创新路径的中介效应强于协同集聚路径。

δ1 =4×(Δr2+Δr2′-ΔR1-ΔR1′-Δd)

①“动中通”：采用“动中通”卫星天线，在运动过程中可实时跟踪卫星，不间断地传递语音、数据、图像等信息，满足移动条件下多媒体通信的需要。

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

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。

宽带用电信息采集方案可根据已安装表计情况，选择使用不同的组网方式，也可以两种组网方式同时使用。例如：对于原先已是带RS485接口并集中安装的电表，为了减小系统投资规模，避免重复性投资可选择“宽带集中器+宽带采集器+485电表”方案，在计量表箱内安装宽带采集器。采集器先使用 RS485接口抄读各电表数据，再通过宽带载波通信模块将数据传输到集中器。宽带用电信息采集系统主要应用在用户集中、对数据通信能力、数据抄收实时性、准确性有较高要求的应用领域。宽带用电信息采集系统结构如图所示。

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。

 

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。

=-321.6(μm)

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]：

科学的学习小组划分是合作学习能否顺利进行的前提。为了让学生积极参与合作收获知识，并且能在合作学习的过程中使学习个性得到充分全面健康的发展，所以对全班学生进行科学合理的分组是十分有必要的。

 

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：

2.3 果园生草，调节小气候 生草能够有效调节果园小气候，增加土壤有机质，诱集害虫，招引天敌。建议秋季生草以油菜为主，夏季生草以豆类为主。同时减少氮肥施入，提高果实品质。

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。

画家顾恺之是东晋时期的著名画家，他曾提出“迁想妙得”的想法，这个想法与“外师造化，中得心源”这个理论的意思是相近的，都是主张要先仔细观察和研究对象，经过深入的了解，然后再经过自己的构思就形成了成功的作品。顾恺之的著名作品《洛神赋图》就体现了这一点，人物处理非常传神，使人们通过鉴赏他的画作可以了解他的思想。

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].