钻井液卧螺离心机轴承选择与计算

　　卧式螺旋卸料沉降离心机(以下简称卧螺离心机)已成为一种重要的钻井液固控设备，自20世纪80年代国内许多石油机械公司相继研制成功卧螺离心机。西安某石油机械制造公司于1994年研制成功卧螺离心机，经多年不断改进在实际应用中取得了很好的效果。随着卧螺离心机向高分离因数、大处理量、高可靠性方向发展的趋势，近年来该公司在参考国内外卧螺离心机先进技术基础上又研制出LW6OOX1500卧螺离心机。然而，该型号离心机在克拉玛依油田使用中经常出现转鼓支撑轴承损坏问题，损坏严重时轴承内圈与转鼓轴发生烧结。笔者总结LW6OOX1500卧螺离心机改进设计经验，对卧螺离心机支撑轴承选择与计算进行分析。 

　　2 、卧螺离心机的工作原理

　　卧螺离心机主要清除钻井液中大小为2—70 um的无用固相颗粒。卧螺离心机的工作原理如图1所示，电机通过大、小端带轮分别带动转鼓、差速器旋转，高速旋转的转鼓内有同心安装的具有螺旋叶片的输送器，转鼓由轴承座支撑。转鼓通过左轴承座处的空心轴与差速器的外壳相连接，差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓同向转动，但转速不同，其转差率为转鼓转速的0．2％ ～3％ 。钻井液从进料管进入机内，经过螺旋输送器进到转鼓内。在离心力的作用下，转鼓内形成一环形液池，重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面上而形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓的小端，沉渣从小端排渣孔排出。在转鼓的大端盖上开设有若干个溢流孔，处理后的钻井液从此处排出。



　　3、 卧螺离心机轴承选择和计算 

　　西安某石油机械制造公司生产的LW6OOX1500卧螺离心机在改进前的主要参数见表1。



　　LW6OOX1500离心机在克拉玛依油田使用中，出现转鼓支撑轴承很快损坏的情况，损坏时间从3—90 h不等，维修更换后仍出现同样的问题。转鼓支撑轴承是离心机中比较薄弱的部件，其损坏由各方面原因的综合表现，主要是由于工作现场环境条件比较恶劣(温差大，风沙大)、离心机设计考虑不全面和制造工艺水平较低等原因造成的。对LW600X1500离心机进行数次改进，改进后的离心机在克拉玛依油田使用中获得成功，工作1200h未出现转鼓支撑轴承损坏，运行状况良好，初步达到了设计及使用要求。

　　3．1 轴承的类型选择基本额定动静载荷计算

　　(1)轴承类型选择

　　对于轴承座3(图1)中的轴承，在现有制造工艺水平下，轴承座、底座加工和装配精度达不到设计要求，改为调心球轴承可在一定程度上弥补两轴承不同心问题；其次由于离心机转速较高，而球轴承的极限转速通常要高于同内径的滚子轴承，所以选用调心球轴承。运转测试证明，在工艺条件和工作条件不变的前提下使用调心球轴承与使用深沟球轴承相比较，前者轴承的工作温升要比后者的工作温升低20℃左右。对于轴承座8(图1)中的轴承，主要考虑到承受轴向力作用，单个角接触球轴承满足不了离心机轴向受力要求，因为一对角接触球轴承能够承受的轴向力是单个轴承的1．62倍，所以选用一对角接触球轴承。

　　(2)径向当量动载荷JP计算

　　对于轴承座3和8内的支撑轴承，径向载荷受力计算公式如下： 

　　离心机在改进前没有考虑 。但是在实际工作中，有钻井液粘附于转鼓内壁，考虑其引起的偏心力作用使设计更加全面。

　　(3)确定轴向当量动载荷

　　卧螺离心机工作时，螺旋输送器会受到一定的轴向力作用，支撑输送器轴承选用能够承受轴向力的圆锥滚子轴承。离心机实际运行说明，支撑输送器的圆锥滚子轴承极少损坏。设计计算中是否考虑支撑转鼓轴承所受的轴向力，及该轴向力大小如何计算一直是比较难处理的问题。以前设计认为轴向力较小，选用深沟球轴承完全满足工作要求。但是，在返厂维修的卧螺离心机中80％ 的情况是由于转鼓支撑轴承损坏而导致离心机不能工作，根据轴承损坏情况分析，轴承实际受到了较大轴向力作用。因此计算中应考虑该轴向力，但轴向力大小确定较困难，用一般的测量手段也很难测出大小。考虑到轴向力相对于径向力较次要，实际改进设计中按轴向力为径向力的一半来计算 。

　　(4)冲击载荷系数 选择

　　离心机在工作时有振动与冲击存在，主要由于进料不均匀、两轴承座不同心和物料粘附于转鼓内壁后产生不平衡力等原因造成。冲击载荷系数 应选择中等冲击1．2～1．8I4。

　　3．2 轴承的基本额定寿命计算

　　固控设备中卧螺离心机为间歇式开机，平均每天使用3h左右，设计寿命10年。预期使用寿命应选为10000h较合适。

　　3．3 轴承合理游隙的选择

　　滚动轴承的周向固定和径向游隙大小是通过轴承与轴承座的配合达到的。径向游隙不仅关系到轴承的运转精度，同时影响它的寿命。轴承游隙直接影响轴承的载荷分布、振动、噪声、磨损、温度和机械运转精度等技术性能。轴承的额定载荷随游隙大小而变化，轴承样本中的额定负荷就是轴承在工作游隙为零时的推荐值。

　　过盈配合的轴承应该通过计算选择合理的径向游隙。内圈由于动平衡及转动时不平衡的考虑，内圈受到??上受力不均，则当套圈壁厚与直径相比较薄时容易变形。如果压力均匀地施加于内圆周或外圆周，且壁厚超过直径的20％ ，可视为厚壁圆环进行计算，具体计算方法为以下陈述。



　　假设离心机轴长为2m时，由于温差引起的伸缩量在lmm以上，此伸缩量足以使支撑轴承损坏。因lt，在设计中一端轴承选择过渡配合，以便使转鼓轴在热胀冷缩时可以相对于调心球轴承内圈进行有限滑动，避免轴承受到因热胀冷缩产生的轴向力作用。

　　基于以上计算，支撑轴承中一对角接触球轴承一端应选用过盈配合，并计算合适的过盈量。调心球轴承一端应选用过渡配合。



　　3．4 轴承润滑及润滑结构

　　轴承的润滑及润滑结构对轴承的寿命有极大影响。脂润滑可做到充填一次润滑脂后长时间不需补充，且其密封装置的结构也较简单，因此在钻井液离心机中使用广泛。润滑脂的填充量以填充轴承和轴承壳体空间的1／3～1／2为宜，一般润滑脂填充量随轴承转速升高而减少，当转速很低时，为防止外部异物进入轴承内，可填满轴承空间。该离心机选用极压锂脂润滑油。 



　　因此为该离心机的轴承座8(图l中)设计了较独特的润滑结构，很好的解决了轴承润滑和调节一对角接触球轴承的间隙问题。如图2所示，从注油孔l注入的润滑脂可通过轴承挡圈2的通孔直接进入一对角接触球轴承中间，在轴承3高速旋转时，润滑脂将对轴承起到很好的润滑作用，极大的改善了轴承的润滑条件。适当设计轴承挡圈4的厚度可调节一对角接触球轴承的间隙，而适当的间隙可在一定程度上延长角接触球轴承的寿命 。 

　　4、总 结 

　　笔者在实践的基础上，提供了一种卧螺离心机转鼓支撑轴承选择与计算方法。应用此方法设计的卧螺离心机，寿命提高了3倍以上，轴承温升由原先柏。左右下降为2O。左右，轴承运转噪音由原先80dB左右下降为60dB左右。该产品得到了客户的广泛认同，取得了良好的经济效益。