游梁抽油機免維護軸承的結構設計與應用

繆明才，范新冉，張曉璇，王賀

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東 東營 257000）

游梁抽油機是目前油田使用最多的一種機械采油設備,勝利油田游梁抽油機數量超過1.5萬臺。游梁抽油機常年在戶外環境下連續工作，現場工況惡劣、溫差變化大（-40～45℃），灰塵、雨水、含鹽堿空氣等，其中配套注入通用鋰基潤滑脂的常規軸承，因存在受力不均、偏磨、密封差漏脂等問題，曲柄連桿及中央軸承出現斷裂、松動、噪音大等故障，造成軸承及潤滑系統維護周期短、故障率高、維護工作量大等問題。主要原因：一是抽油機工況差、二是選用軸承的密封能力差、潤滑脂質量差、三是軸承維護、補充注脂不及時等，據近幾年統計，因軸承斷、脫、裂等事故占整個事故的10%左右。因此，在游梁式抽油機使用維護規范中，規定抽油機在連續運轉5000h后（半年時間）需要對軸承進行維護和添加潤滑脂。

軸承潤滑性能關系機械系統的運轉、維護保養成本、作業安全等，軸承潤滑在機械設計中受到普遍關注。洛陽LYC軸承有限公司針對某鋼廠有總長約60km的帶式輸送線路，400余架輸送機、3000多支滾筒，現場工況惡劣，粉塵等異物較多，軸承潤滑維護周期短且維護困難，軸承損耗率較高，設計了一種皮帶輸送機滾筒用免維護軸承結構，軸承座采用上下剖分座體且帶有迷宮式密封+骨架油封雙重密封的結構，調心滾子軸承也有自身密封結構，實現免維護的目的。軸承年損耗量減少近50%，維護成本降低近70%。安徽華菱汽車有限公司針對商用車驅動橋免維護輪轂軸承單元在使用中存在中間橋包的齒輪油流人軸承內部，導致軸承單元早期失效的問題，研究了免維護輪轂軸承單元中間密封結構。

如上所述，面臨高溫、高速、潮濕、粉塵等惡劣環境和潤滑操作空間有限的環境條件，如家電、電動機、車輛、冶金、工程機械、輕工機械等領域，免維護軸承（或密封軸承）開始得到廣泛應用。然而，油田用游梁式抽油機數量多，分布地域廣，露天運行，無人值守，受大氣、季節影響大，探求免維護軸承在游梁式抽油機中的應用十分必要。

1 游梁抽油機軸承潤滑現狀及存在的問題

目前，游梁抽油機用軸承均采用的滾動軸承，其中曲柄軸承一般采用調心滾子軸承，中軸承采用普通圓柱滾子軸承，其結構是普通開放式（無密封件）。例如，12型抽油機尾軸承為22326調心滾子軸承、曲柄軸承為22324調心滾子軸承，中軸承為NJ234圓柱滾子軸承。軸承裝在軸承座內，安裝軸承總成時，向軸承座內注入適量潤滑脂，利用軸承座蓋進行密封，如圖1所示為游梁抽油機中軸承及軸承座總成結構圖。

圖1 12型抽油機中軸承及軸承座總成結構示意圖

軸承工作性能和壽命不僅與其工作負荷有關，很大程度上主要取決于軸承結構和潤滑性能。然而，普通開放式軸承的潤滑很大程度上取決于總成中端蓋的密封性能，密封失效，潤滑脂泄漏和污染，將加速軸承的磨損。因此，游梁式抽油機軸承潤滑維護保養一般規定在連續運轉5000h后需要對軸承進行維護和添加潤滑脂。

據勝利油田統計，每年每臺抽油機運轉保養成本為0.52萬元左右（含維修費、材料費、油料費），其中軸承潤滑保養成本占15%（含潤滑油料費與因軸承意外損壞導致的維修費），同時，因軸承潤滑不充分導致軸承早期失效占70%。

隨著抽油機結構的優化，軸承因承載能力和材質問題出現的疲勞失效已不再是早期失效的主因。如果抽油機軸承失效的主要原因是潤滑不充分，那么需要解決的問題：一是加強潤滑保養和監測；二是創新軸承潤滑密封結構設計。顯然，缺乏創新結構的軸承潤滑，一味加強保養，一定程度上將大幅提高維護成本和人員勞動強度。

2 游梁抽油機免維護軸承結構設計

本文以12型游梁式抽油機中軸承改造為免維護密封軸承為例進行設計。如圖1所示，原中軸承總成設計包括支座、中軸、兩副軸承NJ234、軸承座、端蓋、B型油封等。本研究擬將原兩副軸承NJ234更換成免維護密封軸承，并保留端蓋、B型油封，避免大氣中塵土、遇水接觸軸承。

2.1 免維護軸承設計需要考慮的工況條件及主要工作參數

游梁抽油機免維護軸承適應的工作環境及主要參數：（1）抽油機在戶外環境下連續運轉，且部分地處沿海等含鹽、堿較高工作環境，適應溫度-40～45℃。（2）抽油機正常轉速在3～12次/6min，屬低轉速工作環境。（3）抽油機懸點負荷一般在30～140kN，曲柄扭矩在9～105kN·m。（4）需要考慮抽油機可能中間停用較長時間。

2.2 免維護軸承設計要求

針對抽油機用軸承故障率高、維護困難、維護成本高等問題，提出一種免維護軸承設計，設計要求：（1）軸承總體要求免維護期在6年以上；（2）軸承和軸承座滿足自動調心功能；（3）優選適用該軸承工況的潤滑脂，軸承滾道、保持架結構有利于潤滑脂的儲存，并不存死角；（4）軸承各部件的表面光潔度高，材料采用高性能軸承鋼和獨特的熱處理工藝提高鋼球提高軸承部件的抗磨能力；（5）保證密封可靠，既防止潤滑脂泄漏又避免外部塵土、油水滲入，提供更持久的潤滑。

圖2 免維護軸承內圈結構示意圖

2.3 免維護軸承的結構設計

為了更加方便抽油機軸承改造，免維護密封軸承以原NU234軸承為原型進行改造設計。改造主要涉及軸承內圈、保持架、橡膠密封圈等，旨在實現軸承潤滑密封，設備存儲、工作時無需添加潤滑。

2.3.1 軸承內圈結構設計

原NU234軸承為無擋邊坡形內圈，不能與密封圈建立密封面，因此將軸承內圈設計成圓柱型結構，如圖2所示。內圈的外圓柱面（密封面）表面粗糙度、材料及其熱處理復合免維護軸承設計。

2.3.2 保持架結構設計

保持架又左右兩間構成，結構如圖3所示。

圖3 免維護軸承保持架結構示意圖

2.3.3 密封圈

密封圈采用帶骨架的單唇形結構，丁晴耐油橡膠材料，結構如圖4所示。

2.3.4 潤滑脂選用3#復合鋰基高溫低速潤滑脂（正開發長壽命潤滑脂）

3 游梁抽油機免維護軸承應用效果

圖4 免維護軸承密封圈結構示意圖

2007年，油田與專業軸承設計生產廠家合作，研制、開發抽油機免維護軸承。并于當年投入試驗。經過近二年多的使用表明，研制的抽油機免維護軸承運轉正常，具有良好的潤滑、防護性能，經油田技術檢測部門進行拆除的檢測，使用過程中沒有發生異常磨損、漏脂等現象，滿足了該工況下使用要求。

在試驗的10臺抽油機井，已運轉2年3個月，經油田技術檢測部門進行拆除解剖檢測。一是內圈、保持架、橡膠密封無磨損現象出現。二是應用的新型潤滑脂，760小時后，潤滑脂經現場解剖、檢驗，其錐入度、抗磨性、漏失量等低于10%。三是抽油機運轉良好，通過現場溫度、電流等測試，與安裝前因數據相差無幾。

游梁抽油機采用免維護軸承后，不僅徹底消除了軸承潤滑維護工作帶來的高空作業安全風險、極大地降低了操作人員的勞動強度、改善了采油工的工作條件。而且維護工作量的縮減(可減少年3多萬次)，極大緩解了油田職工年齡老化帶來的用工緊張矛盾，大大降低了維護成本的支出。

4 結語

免維護軸承作為游梁抽油機中的一種重要零部件,其獨有的結構和潤滑技術,從安裝到失效無需維護就能長期穩定工作，使抽油設備得到了升級,并為用戶真正解決了游梁抽油機普通軸承“停機時間增加、維護成本高和存在環境污染”的問題。下步，加快與相關研究機構合作，開發一種適應該軸承的長壽命潤滑脂（＞6年）。