潜油泵用轴承设计改进
发布时间：2013-09-11蔡素然 杨林
（洛阳轴研科技股份有限公司 产品开发部，河南洛阳 471039）
（洛阳轴研科技股份有限公司 产品开发部，河南洛阳 471039）
摘 要：基于潜油泵用轴承工况条件，设计开发了多联推力角接触球轴承，并经多次试验、失效分析和改进，Z终满足了用户使用要求。
关键词：多联推力角接触球轴承；潜油泵；失效分析；改进
近年来，国内石油企业为了进一步提高石油产量和生产效率以及节省地面空间，减少成本等原因，大多采用潜油泵设备来代替传统的游梁式抽油机开采石油，特别是对于海洋上无法放置抽油机的情况，潜油泵开采石油更是一种结构简单、工作可靠、维护方便的方法。潜油泵专用配套轴承是其支承的核心部件，其性能指标对潜油泵的工作平稳性、安全性、寿命和可靠性有着至关重要的影响。潜油泵的主要特点是径向截面尺寸小，轴向承受载荷大，耐高温，使用寿命长、可靠性要求高。由于其工况特殊，对轴承性能要求高，轴承可靠性寿命往往满足不了用户要求，成为制约潜油泵设备开发研制的瓶颈。针对这种情况，在对潜油泵配套专用轴承的工况条件、结构形式、失效情况等进行深入分析研究的基础上，设计开发了潜油泵轴承。
1 工况条件
油田用潜油泵轴承承受的轴向载荷一般为50-300 kN，转速为300-500 r/min，轴承周围环境温度较高，工作时Z高温度可达120℃ ，而且轴承的使用寿命要满足1年的要求。对于径向尺寸较大的潜油泵，采用可承受轴向载荷的推力滚针轴承，即可达到用户使用寿命要求。但对于径向尺寸小，轴向承载大的潜油泵，推力滚针轴承往往在短时间内就会损坏，寿命大多达不到用户要求。为此，推荐用户采用结构简单，轴向承载能力大，耐冲击，拆装方便的多联推力角接触球轴承。
2 结构形式及特点
多联推力角接触球轴承一般用于井下动力钻具，采用6-11排四点接触球轴承串联组合而成，每排轴承由轴圈、座圈和钢球3部分组成。由于轴承主要用来承受较大的轴向力，轴承的接触角一般选45°-55°。同时，轴圈和座圈之间要留有一定的间隙，便于润滑油顺利通过轴承内部，使轴承得到良好润滑。其结构形式如图1所示。
关键词：多联推力角接触球轴承；潜油泵；失效分析；改进
近年来，国内石油企业为了进一步提高石油产量和生产效率以及节省地面空间，减少成本等原因，大多采用潜油泵设备来代替传统的游梁式抽油机开采石油，特别是对于海洋上无法放置抽油机的情况，潜油泵开采石油更是一种结构简单、工作可靠、维护方便的方法。潜油泵专用配套轴承是其支承的核心部件，其性能指标对潜油泵的工作平稳性、安全性、寿命和可靠性有着至关重要的影响。潜油泵的主要特点是径向截面尺寸小，轴向承受载荷大，耐高温，使用寿命长、可靠性要求高。由于其工况特殊，对轴承性能要求高，轴承可靠性寿命往往满足不了用户要求，成为制约潜油泵设备开发研制的瓶颈。针对这种情况，在对潜油泵配套专用轴承的工况条件、结构形式、失效情况等进行深入分析研究的基础上，设计开发了潜油泵轴承。
1 工况条件
油田用潜油泵轴承承受的轴向载荷一般为50-300 kN，转速为300-500 r/min，轴承周围环境温度较高，工作时Z高温度可达120℃ ，而且轴承的使用寿命要满足1年的要求。对于径向尺寸较大的潜油泵，采用可承受轴向载荷的推力滚针轴承，即可达到用户使用寿命要求。但对于径向尺寸小，轴向承载大的潜油泵，推力滚针轴承往往在短时间内就会损坏，寿命大多达不到用户要求。为此，推荐用户采用结构简单，轴向承载能力大，耐冲击，拆装方便的多联推力角接触球轴承。
2 结构形式及特点
多联推力角接触球轴承一般用于井下动力钻具，采用6-11排四点接触球轴承串联组合而成，每排轴承由轴圈、座圈和钢球3部分组成。由于轴承主要用来承受较大的轴向力，轴承的接触角一般选45°-55°。同时，轴圈和座圈之间要留有一定的间隙，便于润滑油顺利通过轴承内部，使轴承得到良好润滑。其结构形式如图1所示。
多联推力角接触球轴承安装使用时要求：轴承的轴、座圈两端面分别位于同一平面内；在保证轴承制造精度和轴承各零件一致性的前提下，轴圈与轴圈、座圈与座圈之间分别轴向预紧后与潜油泵的传动轴和外壳固定为一体，这样可使各排钢球均匀受载，大大提高其轴向承载能力，延长轴承的使用寿命。同时，由于该轴承无保持架，能承受较大的冲击载荷，如果轴承材料选取适当，轴承还具有高的耐磨性和良好的接触疲劳强度。
3 失效分析
依某石油设备公司要求，研制开发了内径为40 mm，外径为90 mm径向尺寸较小的多联推力角接触球轴承样品，该轴承精度为P0，轴承材料选用了冲击韧性高，具有良好抗疲劳强度的55SiMoVA钢。把轴承安装于潜油泵中，模拟潜油泵在油田井下的工况条件，即轴承承受50 kN的轴向力，转速350 r/min，连续工作。对其进行了多次台架试验，潜油泵工作100 h后，将轴承拆下来观察，发现轴承存在下列失效情况。
3.1 磨损
轴承内、外圈及钢球表面均产生不同程度的磨损，用纱布对其使用过的润滑油过滤，发现纱布上有发亮的金属磨粒。说明轴承的磨损已严重影响到润滑油的纯度，进而影响到轴承的寿命。一般情况下，轴承正常跑合磨损，有利于改善轴承受力分布情况，提高轴承使用寿命，但当磨损超过一定限度时，轴承的轴向游隙增大，将影响到轴承的工作性能，降低其可靠性。轴承的磨损主要是由于轴承工作面硬度较低、润滑条件不良或所受载荷过大等因素所致。
3.2 烧伤
沿受力方向的前几排钢球和套圈沟道表面失去了金属光泽，有发蓝、发黑现象；此外，钢球表面还伴随有较严重的疲劳剥落坑。将损坏的钢球制成试样进行金相检验，结果表明：钢球淬、回火组织按照JB/T 6366-2007标准为3级，符合标准要求。但在显微镜下观察发现钢球表面有裂纹并存在有0.05 mm左右的高温回火烧伤层，局部还有二次淬火层，并且裂纹大多分布在表面烧伤层内，由此判断轴承在使用过程中，存在瞬时的温度过高现象。分析潜油泵结构，由于轴承在封闭的环境下工作，轴圈产生的热量通过潜油泵传动轴及座圈产生的热量通过潜油泵薄壁外壳均可散发掉一部分，所以套圈瞬时温度相对于钢球并不高。而多排钢球在轴圈和座圈之间因受力产生的热量却很难散发，造成了轴承套圈沟道表面相对于钢球表面烧伤较轻的情况。总之是轴承在使用过程中存在严重的润滑不良现象，使其产生的热量与外部进行的热交换不平衡，从而导致轴承严重烧伤。
4 轴承设计改进
针对轴承在试验过程中产生的磨损、疲劳、烧伤等失效情况，在对其失效原因进行深入分析和研究的基础上，提出了以下改进方案。
4.1 材料
多联推力角接触球轴承在用于井下动力钻具时，往往是在带有磨粒的泥浆中工作。在钻井过程中，轴承除承受较大的推力载荷外，还常常伴随着强大的冲击载荷，因此轴承材料易选用冲击韧性高、工艺性能好、具有良好的抗疲劳强度的55SiMoVA材料[1]。但从试验轴承失效情况看，轴承轴、座圈和钢球存在不同程度磨损，说明55SiMoVA材料硬度较低，耐磨性稍差，不太适合潜油泵的工作条件。改进后选用硬度比较高，耐磨性更好的高碳铬轴承钢替代，并重新进行台架试验，潜油泵工作200 h后，将轴承拆下检查，套圈沟道表面和钢球表面已看不出磨损痕迹，润滑油中也不存在发亮的金属磨损颗粒。
4.2 加工精度
针对轴承磨损和烧伤不均匀的情况，对其尺寸和公差进行了重新检查，发现各排轴承的轴向游隙之差、座圈平均外径相互差、轴圈平均内径相互差、各套圈高度相互差以及每一沟道平均接触直径之差等对轴承受力均匀性影响较大，因此在轴承加工过程中，应保证上述公差在要求范围内，以保证轴承各零件尺寸一致性，使轴承受力均匀，消除轴承磨损和烧伤的不均匀性。
4.3 轴承结构
针对轴承润滑不良现象，在保证轴承精度和各零件尺寸一致性前提下，轴承设计还要采取如下措施。
（1）在不影响轴承使用寿命情况下，增大轴承周向总间隙和单个钢球之间的间隙，从而有效增加钢球润滑空间。
（2）在轴承外圈上增加润滑油槽和润滑油孔，加快轴承内部热量的散发。
除对轴承材料、精度和结构改进外，对潜油泵整体结构也做了相应改进：在潜油泵中增加能改善轴承润滑的润滑油泵；在潜油泵主轴和外壳上增加多个润滑油槽等。
5 结束语
通过以上改进，模拟潜油泵在油田井下的工况条件，对轴承重新进行了台架试验，潜油泵工作550 h后，拆下轴承检查，发现各排轴承受力均匀，轴承轴、座圈沟道和钢球表面无明显的磨损痕迹和发蓝、发黑现象；钢球表面也无疲劳剥落坑存在，钢球表面的光滑程度如初。Z终使潜油泵轴承通过了用户的台架试验并满足了在油田井下工作1年的要求，使潜油泵寿命达到了用户使用要求。
参考文献：
[1]赵广炎.螺杆钻具推力轴承设计要点[J].轴承,2000(5)9:-10.
3 失效分析
依某石油设备公司要求，研制开发了内径为40 mm，外径为90 mm径向尺寸较小的多联推力角接触球轴承样品，该轴承精度为P0，轴承材料选用了冲击韧性高，具有良好抗疲劳强度的55SiMoVA钢。把轴承安装于潜油泵中，模拟潜油泵在油田井下的工况条件，即轴承承受50 kN的轴向力，转速350 r/min，连续工作。对其进行了多次台架试验，潜油泵工作100 h后，将轴承拆下来观察，发现轴承存在下列失效情况。
3.1 磨损
轴承内、外圈及钢球表面均产生不同程度的磨损，用纱布对其使用过的润滑油过滤，发现纱布上有发亮的金属磨粒。说明轴承的磨损已严重影响到润滑油的纯度，进而影响到轴承的寿命。一般情况下，轴承正常跑合磨损，有利于改善轴承受力分布情况，提高轴承使用寿命，但当磨损超过一定限度时，轴承的轴向游隙增大，将影响到轴承的工作性能，降低其可靠性。轴承的磨损主要是由于轴承工作面硬度较低、润滑条件不良或所受载荷过大等因素所致。
3.2 烧伤
沿受力方向的前几排钢球和套圈沟道表面失去了金属光泽，有发蓝、发黑现象；此外，钢球表面还伴随有较严重的疲劳剥落坑。将损坏的钢球制成试样进行金相检验，结果表明：钢球淬、回火组织按照JB/T 6366-2007标准为3级，符合标准要求。但在显微镜下观察发现钢球表面有裂纹并存在有0.05 mm左右的高温回火烧伤层，局部还有二次淬火层，并且裂纹大多分布在表面烧伤层内，由此判断轴承在使用过程中，存在瞬时的温度过高现象。分析潜油泵结构，由于轴承在封闭的环境下工作，轴圈产生的热量通过潜油泵传动轴及座圈产生的热量通过潜油泵薄壁外壳均可散发掉一部分，所以套圈瞬时温度相对于钢球并不高。而多排钢球在轴圈和座圈之间因受力产生的热量却很难散发，造成了轴承套圈沟道表面相对于钢球表面烧伤较轻的情况。总之是轴承在使用过程中存在严重的润滑不良现象，使其产生的热量与外部进行的热交换不平衡，从而导致轴承严重烧伤。
4 轴承设计改进
针对轴承在试验过程中产生的磨损、疲劳、烧伤等失效情况，在对其失效原因进行深入分析和研究的基础上，提出了以下改进方案。
4.1 材料
多联推力角接触球轴承在用于井下动力钻具时，往往是在带有磨粒的泥浆中工作。在钻井过程中，轴承除承受较大的推力载荷外，还常常伴随着强大的冲击载荷，因此轴承材料易选用冲击韧性高、工艺性能好、具有良好的抗疲劳强度的55SiMoVA材料[1]。但从试验轴承失效情况看，轴承轴、座圈和钢球存在不同程度磨损，说明55SiMoVA材料硬度较低，耐磨性稍差，不太适合潜油泵的工作条件。改进后选用硬度比较高，耐磨性更好的高碳铬轴承钢替代，并重新进行台架试验，潜油泵工作200 h后，将轴承拆下检查，套圈沟道表面和钢球表面已看不出磨损痕迹，润滑油中也不存在发亮的金属磨损颗粒。
4.2 加工精度
针对轴承磨损和烧伤不均匀的情况，对其尺寸和公差进行了重新检查，发现各排轴承的轴向游隙之差、座圈平均外径相互差、轴圈平均内径相互差、各套圈高度相互差以及每一沟道平均接触直径之差等对轴承受力均匀性影响较大，因此在轴承加工过程中，应保证上述公差在要求范围内，以保证轴承各零件尺寸一致性，使轴承受力均匀，消除轴承磨损和烧伤的不均匀性。
4.3 轴承结构
针对轴承润滑不良现象，在保证轴承精度和各零件尺寸一致性前提下，轴承设计还要采取如下措施。
（1）在不影响轴承使用寿命情况下，增大轴承周向总间隙和单个钢球之间的间隙，从而有效增加钢球润滑空间。
（2）在轴承外圈上增加润滑油槽和润滑油孔，加快轴承内部热量的散发。
除对轴承材料、精度和结构改进外，对潜油泵整体结构也做了相应改进：在潜油泵中增加能改善轴承润滑的润滑油泵；在潜油泵主轴和外壳上增加多个润滑油槽等。
5 结束语
通过以上改进，模拟潜油泵在油田井下的工况条件，对轴承重新进行了台架试验，潜油泵工作550 h后，拆下轴承检查，发现各排轴承受力均匀，轴承轴、座圈沟道和钢球表面无明显的磨损痕迹和发蓝、发黑现象；钢球表面也无疲劳剥落坑存在，钢球表面的光滑程度如初。Z终使潜油泵轴承通过了用户的台架试验并满足了在油田井下工作1年的要求，使潜油泵寿命达到了用户使用要求。
参考文献：
[1]赵广炎.螺杆钻具推力轴承设计要点[J].轴承,2000(5)9:-10.
来源：《轴承》2009年4期