游梁式抽油机用滚动轴承免维护方案探讨

2021-07-22谢兴会陈广胜贾松阳王朋伟丁建强

轴承 2021年12期

谢兴会，陈广胜，贾松阳，王朋伟，丁建强

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南洛阳 471039)

油田游梁式抽油机用轴承工作5 000 h后需人工维护，通过黄油枪向轴承润滑点加润滑脂。某油田游梁式抽油机超过15 000台，分布广，露天运行，无人值守，工况恶劣，维护耗时费力，因未及时维护造成的轴承污染损坏时有发生[1-2]，故需对该油田抽油机轴承进行免维护设计。

1 抽油机用轴承

某油田游梁式抽油机如图1所示，电动机通过减速机带动曲柄销低速旋转，通过尾轴带动横梁以中央轴为支点摆动，抽油机驴头伴带动活塞上下往复运动，将原油从井筒中抽出。抽油机旋转部件包括中央轴、尾轴和曲柄销，曲柄销轴承做旋转运动，尾轴和中央轴轴承做摆动(每分钟少于10次)，抽油机各位置使用的轴承见表1。

表1 抽油机各位置使用的轴承

图1 油田游梁式抽油机

曲柄销轴承结构如图2所示，一侧通过端盖固定在轴承座及曲柄销轴上，另一侧通过轴承座与轴之间的毛毡油封使轴承、轴、端盖之间形成一定的空腔。

1—端盖；2—轴承座；3—轴承；4—毛毡

尾轴轴承结构如图3所示，两侧端盖通过螺栓固定在轴承座上，骨架式旋转轴唇形密封圈安装在端盖与轴之间，使轴承、轴、端盖之间形成一定的空腔。

1—端盖；2—轴承座；3—轴承；4—双唇密封

中央轴轴承结构如图4所示，两侧端盖通过螺栓固定在轴承座上，通过轴承座与轴之间的毛毡油封,使轴承、轴、端盖之间形成一定的空腔。

1—轴承座；2—端盖；3—毛毡；4—配对轴承

所用轴承均在轴承座上设有密封，轴承、轴、端盖之间形成的空腔内添加锂基润滑脂。中央轴轴承应用良好，这是由于轴承运转时未出现倾斜，且密封较好；尾轴、曲柄销轴承受连杆、横梁的摆动影响较大，密封效果较差，轴承损坏率较高。

2 免维护轴承研究现状

抽油机轴承可选用调心滚子轴承和圆柱滚子轴承两大类。

2.1 调心滚子轴承

文献[3]介绍了一种皮带输送机滚筒用免维护轴承结构，将调心滚子轴承改进为自带双唇密封的轴承，轴承座改进为上下剖分且带迷宫式密封的结构。文献[4-5]介绍了一种采煤机齿轨轮组用免维护轴承，将调心滚子轴承改进为自带密封的轴承，密封结构未详述。文献[6]介绍了2种免维护调心滚子轴承，如图5所示。

图5 SKF密封调心滚子轴承

一般轴承采用图5a密封结构，尺寸较大时采用图5b密封结构：图5a密封结构为钢骨架+丁晴橡胶(或氟橡胶)，钢骨架冲压成形，安装方便；图5b密封结构为卡环+钢骨架+丁晴橡胶(或氟橡胶)，钢骨架相对图5a结构简单,密封件也更为牢固，但需安装卡环。2种密封均为单唇。

综上可知：调心滚子轴承免维护方案重点是将轴承改为自带密封结构，视情况适当增加轴承座密封。

2.2 圆柱滚子轴承

单列圆柱滚子轴承在工程上无自带密封的先例，这是由于单列圆柱滚子轴承均为可分离型，内圈或外圈至少一侧无挡边，无法增加密封。而双、四列圆柱滚子轴承套圈固定，工程上有自带密封结构。实现抽油机用单列圆柱滚子轴承的免维护成为难点。

3 免维护改进方案

3.1 调心滚子轴承

尾轴、曲柄销、减速器输出端用调心滚子轴承均可改为自带密封的调心滚子轴承，如图6所示，密封结构为上端卡环固定、下端双唇式的骨架丁晴橡胶。

图6 改进的密封调心滚子轴承

该结构优点：1)卡环固定，密封牢固；2)骨架最上方拐角处高于外圈滚道，增大了轴承内部空间，保证了轴承调心角度；3)内圈滚道端部为斜边，一个密封唇竖直压向滚道，另一个密封唇斜向压向斜边，轴承内外圈错位时至少有一个密封唇起作用；4)保持现有轴承座结构，降低改进成本。

在轴承外形尺寸不变的情况下增加密封，减小了轴承内部空间，滚子尺寸需重新设计，会降低轴承额定载荷；同时滚子或保持架会碰触密封件，影响轴承最大调心角：故需验算调心滚子轴承最大调心角和额定载荷。

3.1.1 最大调心角

轴承内外圈错位示意图如图7所示，滚子和密封接触位置1、保持架和密封钢板接触位置2、保持架和密封唇接触位置3中最先接触的是位置3，位置3刚好接触时的错位角θ即为最大调心角。

图7 调心滚子轴承内外圈错位示意图

几何关系如图8所示，图中：O为轴承中心，A为密封唇可能接触点。以OA为半径作圆弧与保持架交于点B，即保持架绕轴承中心旋转时B点将接触到密封唇A点，旋转角∠BOA即为最大调心角。

图8 图7的几何关系图

AE⊥OE，OE为轴承中心线，则

AE=C/2-(L1-L2)-L3，

(1)

式中：C为外圈宽度；L1为外圈密封槽宽度；L2为密封盖宽度；L3为密封唇宽度。

在△AOE中

(2)

∠AOE=arctan(AE/d1)，

(3)

式中：d1为密封唇A点的半径。

B为保持架可能接触点，BF⊥OF，OF为滚子中心线，则

BF=L/2+S，

(4)

式中：L为滚子长度；S为保持架兜孔底部距保持架底部的距离。

在△BOF中

∠BOF=arcsin(BF/R)，

(5)

最大调心角为

θ=∠AOE-∠BOF-α，

(6)

式中：α为轴承接触角。

通过(1)—(6)式计算可得尾轴22326CC-2RS轴承和曲柄销22324C CC-2RS轴承最大调心角，见表2，轴承能保证调心角约为1°30′。

表2 尾轴和曲柄销轴承最大调心角计算结果

3.1.2 额定载荷

增加密封结构后，要适当调整轴承主参数，导致额定动载荷降低约10%(表3)，轴承疲劳寿命缩短[7]；但增加密封后润滑脂污染程度下降，轴承早期失效概率大幅降低，根据实际工程经验，能满足8～10年的免维护周期。影响抽油机轴承寿命的首要因素是环境污染，为解决污染问题所进行的频繁轴承维护成本较大，10%额定动载荷降低引起的寿命损失成本可以接受。

表3 轴承额定动载荷变化

3.2 圆柱滚子轴承

中央轴NJ234轴承内外径分别为170，310 mm，与某铁路货车用带密封双列圆锥滚子轴承结构相同，故提出将该轴承替换，改进前后轴承结构如图9所示。轴承座需局部改造：取消原轴承座中部台阶；增加轴承座两侧端盖深入量，端盖结构按图示做相应改动；增加螺纹压帽结构，用于轴承轴向预紧，轴增加相应台阶螺纹结构；取消原轴中部台阶。