游梁式抽油機用滾動軸承免維護方案探討

謝興會，陳廣勝，賈松陽，王朋偉，丁建強

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

油田游梁式抽油機用軸承工作5 000 h后需人工維護，通過黃油槍向軸承潤滑點加潤滑脂。某油田游梁式抽油機超過15 000臺，分布廣，露天運行，無人值守，工況惡劣，維護耗時費力，因未及時維護造成的軸承污染損壞時有發生[1-2]，故需對該油田抽油機軸承進行免維護設計。

1 抽油機用軸承

某油田游梁式抽油機如圖1所示，電動機通過減速機帶動曲柄銷低速旋轉，通過尾軸帶動橫梁以中央軸為支點擺動，抽油機驢頭伴帶動活塞上下往復運動，將原油從井筒中抽出。抽油機旋轉部件包括中央軸、尾軸和曲柄銷，曲柄銷軸承做旋轉運動，尾軸和中央軸軸承做擺動(每分鐘少于10次)，抽油機各位置使用的軸承見表1。

表1 抽油機各位置使用的軸承

圖1 油田游梁式抽油機

曲柄銷軸承結構如圖2所示，一側通過端蓋固定在軸承座及曲柄銷軸上，另一側通過軸承座與軸之間的毛氈油封使軸承、軸、端蓋之間形成一定的空腔。

1—端蓋；2—軸承座；3—軸承；4—毛氈

尾軸軸承結構如圖3所示，兩側端蓋通過螺栓固定在軸承座上，骨架式旋轉軸唇形密封圈安裝在端蓋與軸之間，使軸承、軸、端蓋之間形成一定的空腔。

1—端蓋；2—軸承座；3—軸承；4—雙唇密封

中央軸軸承結構如圖4所示，兩側端蓋通過螺栓固定在軸承座上，通過軸承座與軸之間的毛氈油封,使軸承、軸、端蓋之間形成一定的空腔。

1—軸承座；2—端蓋；3—毛氈；4—配對軸承

所用軸承均在軸承座上設有密封，軸承、軸、端蓋之間形成的空腔內添加鋰基潤滑脂。中央軸軸承應用良好，這是由于軸承運轉時未出現傾斜，且密封較好；尾軸、曲柄銷軸承受連桿、橫梁的擺動影響較大，密封效果較差，軸承損壞率較高。

2 免維護軸承研究現狀

抽油機軸承可選用調心滾子軸承和圓柱滾子軸承兩大類。

2.1 調心滾子軸承

文獻[3]介紹了一種皮帶輸送機滾筒用免維護軸承結構，將調心滾子軸承改進為自帶雙唇密封的軸承，軸承座改進為上下剖分且帶迷宮式密封的結構。文獻[4-5]介紹了一種采煤機齒軌輪組用免維護軸承，將調心滾子軸承改進為自帶密封的軸承，密封結構未詳述。文獻[6]介紹了2種免維護調心滾子軸承，如圖5所示。

圖5 SKF密封調心滾子軸承

一般軸承采用圖5a密封結構，尺寸較大時采用圖5b密封結構：圖5a密封結構為鋼骨架+丁晴橡膠(或氟橡膠)，鋼骨架沖壓成形，安裝方便；圖5b密封結構為卡環+鋼骨架+丁晴橡膠(或氟橡膠)，鋼骨架相對圖5a結構簡單,密封件也更為牢固，但需安裝卡環。2種密封均為單唇。

綜上可知：調心滾子軸承免維護方案重點是將軸承改為自帶密封結構，視情況適當增加軸承座密封。

2.2 圓柱滾子軸承

單列圓柱滾子軸承在工程上無自帶密封的先例，這是由于單列圓柱滾子軸承均為可分離型，內圈或外圈至少一側無擋邊，無法增加密封。而雙、四列圓柱滾子軸承套圈固定，工程上有自帶密封結構。實現抽油機用單列圓柱滾子軸承的免維護成為難點。

3 免維護改進方案

3.1 調心滾子軸承

尾軸、曲柄銷、減速器輸出端用調心滾子軸承均可改為自帶密封的調心滾子軸承，如圖6所示，密封結構為上端卡環固定、下端雙唇式的骨架丁晴橡膠。

圖6 改進的密封調心滾子軸承

該結構優點：1)卡環固定，密封牢固；2)骨架最上方拐角處高于外圈滾道，增大了軸承內部空間，保證了軸承調心角度；3)內圈滾道端部為斜邊，一個密封唇豎直壓向滾道，另一個密封唇斜向壓向斜邊，軸承內外圈錯位時至少有一個密封唇起作用；4)保持現有軸承座結構，降低改進成本。

在軸承外形尺寸不變的情況下增加密封，減小了軸承內部空間，滾子尺寸需重新設計，會降低軸承額定載荷；同時滾子或保持架會碰觸密封件，影響軸承最大調心角：故需驗算調心滾子軸承最大調心角和額定載荷。

3.1.1 最大調心角

軸承內外圈錯位示意圖如圖7所示，滾子和密封接觸位置1、保持架和密封鋼板接觸位置2、保持架和密封唇接觸位置3中最先接觸的是位置3，位置3剛好接觸時的錯位角θ即為最大調心角。

圖7 調心滾子軸承內外圈錯位示意圖

幾何關系如圖8所示，圖中：O為軸承中心，A為密封唇可能接觸點。以OA為半徑作圓弧與保持架交于點B，即保持架繞軸承中心旋轉時B點將接觸到密封唇A點，旋轉角∠BOA即為最大調心角。

圖8 圖7的幾何關系圖

AE⊥OE，OE為軸承中心線，則

AE=C/2-(L1-L2)-L3，

(1)

式中：C為外圈寬度；L1為外圈密封槽寬度；L2為密封蓋寬度；L3為密封唇寬度。

在△AOE中

(2)

∠AOE=arctan(AE/d1)，

(3)

式中：d1為密封唇A點的半徑。

B為保持架可能接觸點，BF⊥OF，OF為滾子中心線，則

BF=L/2+S，

(4)

式中：L為滾子長度；S為保持架兜孔底部距保持架底部的距離。

在△BOF中

∠BOF=arcsin(BF/R)，

(5)

最大調心角為

θ=∠AOE-∠BOF-α，

(6)

式中：α為軸承接觸角。

通過(1)—(6)式計算可得尾軸22326CC-2RS軸承和曲柄銷22324C CC-2RS軸承最大調心角，見表2，軸承能保證調心角約為1°30′。

表2 尾軸和曲柄銷軸承最大調心角計算結果

3.1.2 額定載荷

增加密封結構后，要適當調整軸承主參數，導致額定動載荷降低約10%(表3)，軸承疲勞壽命縮短[7]；但增加密封后潤滑脂污染程度下降，軸承早期失效概率大幅降低，根據實際工程經驗，能滿足8～10年的免維護周期。影響抽油機軸承壽命的首要因素是環境污染，為解決污染問題所進行的頻繁軸承維護成本較大，10%額定動載荷降低引起的壽命損失成本可以接受。

表3 軸承額定動載荷變化

3.2 圓柱滾子軸承

中央軸NJ234軸承內外徑分別為170，310 mm，與某鐵路貨車用帶密封雙列圓錐滾子軸承結構相同，故提出將該軸承替換，改進前后軸承結構如圖9所示。軸承座需局部改造：取消原軸承座中部臺階；增加軸承座兩側端蓋深入量，端蓋結構按圖示做相應改動；增加螺紋壓帽結構，用于軸承軸向預緊，軸增加相應臺階螺紋結構；取消原軸中部臺階。

圖9 改進前后軸承結構

新結構優點：

1)單套NJ234額定動載荷為589 kN，雙列圓錐滾子軸承額定動載荷為1 540 kN，滿足承載要求，改進后的軸承承載能力提高。

2)同結構、同密封、同潤滑脂的鐵路貨車軸承已應用60余年，可實現8年的免維護周期。與鐵路貨車相比，抽油機軸承受力更小，轉速更低，可滿足抽油機8年免維護的應用需求。

3)鐵路軸承價格高，成本增加，但免去了抽油機軸承的維護工作，增加了抽油作業時間，同時也減少了8年的維護成本，綜合收益高于增加的成本。

3.3 潤滑脂選擇

根據實際使用情況，選擇美孚460潤滑脂(Mobil SHC 460 WT)，潤滑脂由生產廠家在軸承制造完成后填充，使用單位無需再向軸承座內填充潤滑脂。

4 結束語

針對抽油機軸承維護成本高的問題，對抽油機曲柄銷、尾軸、中央軸用軸承進行免維護設計，改進后的方案已應用在油田抽油機上，效果良好。但對減速箱軸承的免維護問題尚未解決，有待進一步研究。