钻井用大功率电动机轴承安全系数分析

钻井用大功率电动机轴承安全系数分析（中国石油海洋工程有限公司钻井事业部韩京一刘志锐王建平耿凯）摘要：轴承作为电机的一个部件，除完成转子与定子间有效连接的基本功能外，并为转子的旋转运动提供保障功能，其好坏直接影响到转子的运转状态，以及电机的寿命。对于大功率电动机的新的应用领域----钻井行业，轴承的使用与更换至今无任何依据可以借阅。为此，我们在理论计算的基础上、结合相应的实际拆检测试，推导出钻井用大功率电动机的轴承安全系数。希望此文能为广大同仁提供一定的参考和帮助。关键词：轴承更换游隙轴承作为电机的一个部件，除完成转子与定子间有效连接的基本功能外，并为转子的旋转运动提供保障功能，其好坏直接影响到转子的运转状态，以及电机的寿命。对于大功率电动机的新的应用领域----钻井行业，轴承的使用与更换至今无任何依据可以借阅。为此，我们在理论计算的基础上、结合相应的实际拆检测试，推导出钻井用大功率电动机的轴承安全系数。一、大功率电动机的应用随着600KW及以上大功率电动机制造技术的完善，以及相应的电力电子应用技术的提高，钻井装备得到了迅猛发展一在短短的十几年内，由机械时代过渡到电气时代。从而使得大功率电动机在钻井行业得到了越来越多的应用（本文所列参数为7000米电动钻机基本配置）。大功率电动机在钻井行业的具体应用为：F1600泥浆泵1*1200KW(或2*600KW)450T绞车2*800KWZP375转盘1*800KW1、电机铭牌参数：泥浆泵电机型号：YP2423L6-6H电压：600V电流：1348A调频范围：0—76Hz工作频率：50.5Hz功率：1200KW转速：1000RPM转子轴承：6326C3生产厂家：大连天兀电机厂2、绞车、转盘电机型号：YP2423L4-6MH电压：600V电流：912A调频范围：0—75Hz工作频率：37.5Hz功率： 800KW转速： 741RPM转子轴承： 6326C3生产厂家： 大连天元电机厂3、 SFK6326C3轴承参数TOC\o"1-5"\h\z内径： 130mm外径： 280mm高度： 58mm动负荷： 229kn静负荷： 216kn4、 电机运行数据统计泥浆泵设计转速为0~130转，实际使用中为100转，对应的电机转速为1000RPM，此时的功率在1000~1100KW，泥浆泵从0~100转的加速时间小于10s,从100~0转的减速时间亦小于10s，泥浆泵的正常运转时间为3~15分钟/次（通常情况）。绞车的行程为0~28米，时间为20s/带载上行、15s/带载下行，电机转速为0~+1500~0~-1500~0RPM往复运行，功率亦在0~+650~0~-650~0KW间往复波动。通过运行介绍，不能看出：泥浆泵电机属于突增突卸的运行状况；绞车电机则工作于短暂往复的工况下。此两工况完全背离了轴承设计的长时间平稳运行的要求。二、绞车电机的轴承寿命计算本理论计算书以《GB-T_6391-2003_滚动轴承_额定动载荷和额定寿命》为依据。基本额定寿命（引自GB/T6391-2003/ISO281:1990）1、 电磁扭矩：Te=9550*P/n式中：Te一电磁扭矩，N.m；P一输出功率，KW；n一转速，r/min；Te=9550*P/n=9550*800/741=10310N.m2、 切向力：Tf=FD/103式中：Tf—输出扭矩，N.m；F一切向力，N；D一输出轴径，mm；同一台电动机电磁扭矩与力矩扭矩近似相等（Te.Tf），由此推导得到切向力为F=Tf/D*103=Te/D*103=10310/130*1000=79308N即：切向力为79.308KN。3、 径向当量动负荷：Pr=XFr+YFa式中：P一径向当量动载荷，N；rX-系数；廿一轴承径向载荷；丫一系数；Fa—轴承轴向载荷；6326C3属于径向接触沟型球轴承，其X=1、Y=0；且轴承径向载荷Fr就是切向力F；由此得Pr=XFr+YFa=Fr=F=79.308KN4、 基本额定寿命：L10=(Cr/Pl'式中：L10—基本额定寿命，百万转；C一径向基本额定动载荷，N；rP一径向当量动载荷，N；rL10=(Cr/Pr)3=(229/79.308)3=2.8873=24.062百万转5、 SFK修正过的寿命方程式SKF公司考虑到轴承的名义或基本额定寿命可能与某一特定应用中的实际使用寿命有很大的差别。在某一特定应用中，使用寿命受各种不同因素的影响，包括润滑、污染程度、不对中程度、安装正确与否和环境因素等。因此SFK包含了一个修正过的寿命方程式来补充基本额定寿命的计算。这个寿命计算法采用了一个修正系数，把SKF进口轴承的润滑、污染和材料的疲劳极限计算在内：Lnm=alaSKFL10其中Lnm=SKF轴承额定寿命(可靠度为100-nl)%，运行小时数L10=基本额定寿命(可靠度为90%)，百万转al=寿命可靠性系数，可通过下表查出可观故障可能性SKF额定寿命nLnmHi%%9010Lian1955Mn0,62964Ljin0,53973Lan0,44982Wn0,33991Lim0,21考虑到平台工作的可靠性，以及修理周期较长，我们建议选择95%的可靠度，a1=0.62。aSKF系数表示疲劳负荷极限比率(P/P)、润滑条件(粘度比K)和轴承内污染程度(nc)三者之间的关系，根据润滑手册查得K=1° 'Pu/P=6.3/88.154=0.07根据平台现场的条件，轴承内污染程度(nc)按一般清洁，查表可得nc=0.6，nc(Pu/P)=0.042o

根据SFK推荐表格查得aSKF约为0.8实际寿命为alaSKFL1o=0.62*0.8*24.062=11.934百万转折算为运行时间约为S=Lio/r=12千小时根据各平台数据统计，在工作量饱满的情况下，泥浆泵一年工作4000小时，因此建议每三年进行一次轴承更换。泥浆泵电机按照以上方法计算实际寿命为9千小时，具体计算过程略。三、实际拆检分析2010年5月考虑到绞车电机的使用时间已超过12000小时，我们决定将电机进厂检修，收集相应参数如下。绞车轴承检测结果（单位：mm）电机轴承绞车A（运行12136小时）负载端自由端最大值+0.10+0.11+0.07+0.07最小值0.03-0,01+0.01+0.02间隙C=0.13C=0.12C=0.06C=0.05电机轴承绞车B（运行10685小时）负载端自由端最大值+0.10+0.09+0.07+0.06最小值+0.02+0.01+0.02+0.02间隙C=0.08C=0.08C=0.05C=0.04四、结论SFK6326C3轴承游隙为C3组，依据《GB-T+4604-2006+滚动轴承+径向游隙》中6326系列的游隙数据第3组的数据0.041----0.081mm与检测结果的对比，我们可以看出：绞车轴承已接近C3组游隙的上限，与计算结果较接近，这说明在计算过程中参数的选取比较接近实际，对今后制定钻井用大功率电动机的维修