钻井用大功率电动机轴承更换周期分析
周光华耿凯
（中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部）
摘要：轴承作为电机的一个部件，其好坏直接影响到电机的寿命。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
鉴。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更换周期。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
随着６００ｋｗ及以上大功率变频电机制造技术的完善，以及相应的电力电子应用技术的提高，在短短的十几年内大功率变频电机在钻井行业得到了越来越多的应用。轴承作为电机的一个部件，其好坏直接影响到电机的运转状态，以及电机的寿命。目前对于轴承的更换周期，生产厂商推荐每三年进行更换，但是，根据我们几年来的实际使用情况，由于各平台生产任务差别很大，我们认为只以年限做为电机轴承更换的周期并不合理，本着节约维修成本的目的，我们在理论计算的基础上结合电机实际拆检检查，推导出钻井用大功率电动机轴承更换的精确周期。
１钻井行业大功率电动机应用情况介绍
大功率电动机在钻井行业的具体应用为（以７０００ｍ钻机为例）：Ｆ１６００泥浆泵ｌ×１２００ｋＷ（或２×６００ｋｗ）
４５０Ｔ绞车
２×８００ｋＷｌ×８００ｋＷ
ＺＰ３７５转盘１．１电机铭牌参数泥浆泵电机
型号：
ＹＰ２４２３Ｌ６—６Ｈ６００Ｖ１３４８ＡＯ一７６Ｈｚ５０．５Ｈｚ
电压：
电流：调频范围：
工作频率：功率：转速：转子轴承：
生产厂家：
１２００ｋＷ
１０００ｒ／ｍｉｎ６３２６Ｃ３
大连天元电机厂
・９３８・
海洋石油工程技术论文（第四集）
１．２绞车、转盘电机
型号：Ⅵ，２４２３Ｌ４—６ＭＨ
电压：６００Ｖ电流：调频范围：
９１２Ａ０—７５Ｈｚ３７．５Ｈｚ
工作频率：
功率：转速：
８００ｋＷ
７４ｌｒ／ｍｉｎ６３２６ｃ３
转子轴承：
生产厂家：
１．３
ＳＦＫ６３２６
大连天元电机厂
ｃ３轴承参数
内径：外径：高度：动负荷：
１３０咖
２８０ｍｍ５８ｍｍ２２９ｋＮ２１６ｋＮ６．３ｋＮ
静负荷：
疲劳负荷限值ＰＩ，：
１．４电机运行数据统计
泥浆泵设计转速为０～１３０ｒ／ＩＩｌｉｎ，实际使用中为１００ｒ／ｍｉｎ，对应的电机转速为１０００ｒ／ｍｉｎ，此时的功率在１０００～１１００ｋｗ，泥浆泵从０一１００转的加速时间小于１０ｓ，从１００一Ｏ转
的减速时间亦小于１０ｓ。
绞车的行程为０～２８ｍ，时间为２０ｓ／带载上行、１５ｓ／带载下行，电机转速为０～＋１５００一
ｏ～一１５００～ｏ
ｒ／ｒｎｉｎ往复运行，功率亦在ｏ＋６５０—Ｏ一６５０～ｏｋｗ问往复波动。
２绞车电机的轴承寿命计算
本理论计算书以《ＧＢ—Ｔ－６３９１—２００３一滚动轴承一额定动载荷和额定寿命》为依据。基本额定寿命（引自ＧＢ／嘶３９１—２００３／ＩＳＯ２８ｌ：１９９０）２．１电磁扭矩
ｔ＝９５５０×尸／ｎ
式中ｒ——电磁扭矩，Ｎ・ｍ；
Ｐ——输出功率，ｋｗ；ｎ——转速，ｒ／ｍｉｎ；
ｒ＝９５５０×Ｐ／ｎ＝９５５０×８００／７４１＝１０３１０Ｎ・ｍ
２．２切向力
Ｌ＝凡Ｄ／１０３
式中瓦——输出扭矩，Ｎ－ｍ；
Ｆ——切向力，Ｎ；Ｄ——输出轴径，ｍｍ。
．
钻井用大功率电动机轴承更换周期分析
同一台电动机电磁扭矩与力矩扭矩近似相等（ｔ一瓦），由此推导得到切向力为
・９３９・
Ｆ＝ＶＤ×１０３＝咒／Ｄ×１０３＝１０３１０／１３０×１０００＝７９３０８
即：切向力为７９．３０８ｋＮ。２．３径向当■动负荷：
Ｐｒ＝ｘＦＴ＋ＹＦ
ａ
Ｎ
式中Ｐ，——径向当量动载荷，Ｎ；
Ｘ——系数；
Ｆ，——轴承径向载荷，Ｎ；
ｙ＿系数；
Ｆ。——轴承轴向载荷，Ｎ。
６３２６
ｃ３属于径向接触沟型球轴承，其ｘ＝ｌ、ｙ＝０；且轴承径向载荷Ｆ，就是切向力Ｆ；
由此得
Ｐ，＝．即。＋即。＝Ｆ。＝Ｆ＝７９．３０８ｋＮ
２．４基本额定寿命
Ｌ。。＝（Ｃｒ／Ｐ，）３
式中厶。——基本额定寿命，１００×１０４转；
ｃ，——径向基本额定动载荷，Ｎ；Ｐ，——径向当量动载荷，Ｎ；
Ｌｌｏ＝（Ｃｒ／Ｐ。）３＝（２２９／７９．３０８）３＝２．８８７３＝２４．０６２×１０６转
２．５
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：
Ｌ。。＝口ｌａＳＫＦＬｌｏ
式中，Ｌ。。＝ｓＫＦ轴承额定寿命，可靠度为（１００一凡。）％，运行小时数。
￡，ｏ＝基本额定寿命（可靠度为９０％），１００×１０４转。口．＝寿命可靠性系数，可通过表１查出。
表ｌ轴承可靠性系数表
可靠性／％
９０９５９６９７９８９９
故障可能性
，∥％ｌＯ５
４
ｓＫＦ额定寿命
系数ａｌ
工。￡ｌｏｍ
１Ｏ．６２Ｏ．５３Ｏ．４４Ｏ．３３０．２１
如。厶。厶。如。
Ｌｌｍ
３２ｌ
海洋石油工程技术论文（第四集）
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，口。＝０．６２。ａＳＫＦ系数表示疲劳负荷极限比率（Ｐ。／Ｐ）、润滑条件（黏度比Ｋ）和轴承内污染程度（田。）三者之间的关系，根据润滑手册查得Ｋ＝ｌ
Ｐ。／Ｐ＝６．３／８８．１５４＝Ｏ．０７
根据平台现场的条件，轴承内污染程度（叩ｃ）按一般清洁，查表１可得叼。＝０．６，田。
（Ｐ．１／Ｐ）＝０．０４２。
ｆ／
．１
鬓鬓互
＿－一一
／。．／
＿，一一
＜
叼
茎三ｉ
０．２
０５
ｌ
２
／
．；
／
沙。
Ｏ．ＯＯ仍
ｎ０５Ｏｌ
图ｌａｓＫＦ系数表
根据ＳＦＫ推荐图１格查得ａＳＫＦ约为Ｏ．８
实际寿命为口ｌａｓＫＦ：￡ｌｏ＝Ｏ．６２×０．８×２４．０６２＝１１．９３４×１０６转折算为运行时间约为．ｓ＝厶。／ｒ＝１６×１０３ｈ
泥浆泵电机按照以上方法计算实际寿命为９０００ｈ，具体计算过程略。
３实际拆检数据
２０１０年５月考虑到绞车电机的使用时间已到三年，我们决定将电机进厂检修，收集相
钻井用大功率电动机轴承更换周期分析
应参数如表２。
・９４１・
表２绞车轴承检测结果统计表Ｉ单位：咖）
、＼篁劢
最大值最小值间隙
轴未＼
绞车Ａ（运行１２１３６ｈ）
＼
＋Ｏ．１０Ｏ．０３Ｃ＝０．１３
负载端
＋Ｏ．１１一Ｏ．０１Ｃ＝Ｏ．１２
＋Ｏ．０７＋Ｏ．０ｌＣ＝Ｏ．０６
自由端
＋Ｏ．０７＋Ｏ．０２Ｃ＝Ｏ．０５
＼詹勘
最大值最小值间隙
轴亲＼
绞车Ｂ（运行１０６８５ｈ）
＼
＋０．１０＋０．０２Ｃ＝Ｏ．０８
负载端
＋Ｏ．０９＋Ｏ．０ｌＣ＝ｏ．０８
＋０．０７＋０．０２Ｃ＝０．０５
自由端
＋ｏ．０６＋０．０２Ｃ＝Ｏ．０４
ｓＦＫ６３２６
Ｃ３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～Ｏ．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，与计算结果一致，这说明在计算过程中参数的选取符合
实际。
４结论
几年来对各平台数据统计，在工作量较饱满的情况下，绞车一年工作４０００ｈ左右，泥浆泵一年工作２０００ｈ左右，因此按照以上分析结果绞车和泥浆泵电机可四至五年更换一次轴承。事业部此类电机共６３台，而更换一次轴承，每台电机需５万元左右，按此计算，每年可节约电机维修费用约４０万元。
我们通过理论计算与实际分析相结合，很好地解决了有关钻井行业大功率变频电机轴承更换周期的问题，节约了维修成本，同时，也让我们清楚地认识到设备的修理不能一味完全按照说明书的要求，必须与实际使用情况相结合，希望此文能为从事钻井设备管理的技术人员提供一定的参考和帮助，也为设备管理技术人员做到精细化管理提供一个思路。
钻井用大功率电动机轴承更换周期分析
周光华耿凯
（中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部）
摘要：轴承作为电机的一个部件，其好坏直接影响到电机的寿命。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
鉴。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更换周期。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
随着６００ｋｗ及以上大功率变频电机制造技术的完善，以及相应的电力电子应用技术的提高，在短短的十几年内大功率变频电机在钻井行业得到了越来越多的应用。轴承作为电机的一个部件，其好坏直接影响到电机的运转状态，以及电机的寿命。目前对于轴承的更换周期，生产厂商推荐每三年进行更换，但是，根据我们几年来的实际使用情况，由于各平台生产任务差别很大，我们认为只以年限做为电机轴承更换的周期并不合理，本着节约维修成本的目的，我们在理论计算的基础上结合电机实际拆检检查，推导出钻井用大功率电动机轴承更换的精确周期。
１钻井行业大功率电动机应用情况介绍
大功率电动机在钻井行业的具体应用为（以７０００ｍ钻机为例）：Ｆ１６００泥浆泵ｌ×１２００ｋＷ（或２×６００ｋｗ）
４５０Ｔ绞车
２×８００ｋＷｌ×８００ｋＷ
ＺＰ３７５转盘１．１电机铭牌参数泥浆泵电机
型号：
ＹＰ２４２３Ｌ６—６Ｈ６００Ｖ１３４８ＡＯ一７６Ｈｚ５０．５Ｈｚ
电压：
电流：调频范围：
工作频率：功率：转速：转子轴承：
生产厂家：
１２００ｋＷ
１０００ｒ／ｍｉｎ６３２６Ｃ３
大连天元电机厂
・９３８・
海洋石油工程技术论文（第四集）
１．２绞车、转盘电机
型号：Ⅵ，２４２３Ｌ４—６ＭＨ
电压：６００Ｖ电流：调频范围：
９１２Ａ０—７５Ｈｚ３７．５Ｈｚ
工作频率：
功率：转速：
８００ｋＷ
７４ｌｒ／ｍｉｎ６３２６ｃ３
转子轴承：
生产厂家：
１．３
ＳＦＫ６３２６
大连天元电机厂
ｃ３轴承参数
内径：外径：高度：动负荷：
１３０咖
２８０ｍｍ５８ｍｍ２２９ｋＮ２１６ｋＮ６．３ｋＮ
静负荷：
疲劳负荷限值ＰＩ，：
１．４电机运行数据统计
泥浆泵设计转速为０～１３０ｒ／ＩＩｌｉｎ，实际使用中为１００ｒ／ｍｉｎ，对应的电机转速为１０００ｒ／ｍｉｎ，此时的功率在１０００～１１００ｋｗ，泥浆泵从０一１００转的加速时间小于１０ｓ，从１００一Ｏ转
的减速时间亦小于１０ｓ。
绞车的行程为０～２８ｍ，时间为２０ｓ／带载上行、１５ｓ／带载下行，电机转速为０～＋１５００一
ｏ～一１５００～ｏ
ｒ／ｒｎｉｎ往复运行，功率亦在ｏ＋６５０—Ｏ一６５０～ｏｋｗ问往复波动。
２绞车电机的轴承寿命计算
本理论计算书以《ＧＢ—Ｔ－６３９１—２００３一滚动轴承一额定动载荷和额定寿命》为依据。基本额定寿命（引自ＧＢ／嘶３９１—２００３／ＩＳＯ２８ｌ：１９９０）２．１电磁扭矩
ｔ＝９５５０×尸／ｎ
式中ｒ——电磁扭矩，Ｎ・ｍ；
Ｐ——输出功率，ｋｗ；ｎ——转速，ｒ／ｍｉｎ；
ｒ＝９５５０×Ｐ／ｎ＝９５５０×８００／７４１＝１０３１０Ｎ・ｍ
２．２切向力
Ｌ＝凡Ｄ／１０３
式中瓦——输出扭矩，Ｎ－ｍ；
Ｆ——切向力，Ｎ；Ｄ——输出轴径，ｍｍ。
．
钻井用大功率电动机轴承更换周期分析
同一台电动机电磁扭矩与力矩扭矩近似相等（ｔ一瓦），由此推导得到切向力为
・９３９・
Ｆ＝ＶＤ×１０３＝咒／Ｄ×１０３＝１０３１０／１３０×１０００＝７９３０８
即：切向力为７９．３０８ｋＮ。２．３径向当■动负荷：
Ｐｒ＝ｘＦＴ＋ＹＦ
ａ
Ｎ
式中Ｐ，——径向当量动载荷，Ｎ；
Ｘ——系数；
Ｆ，——轴承径向载荷，Ｎ；
ｙ＿系数；
Ｆ。——轴承轴向载荷，Ｎ。
６３２６
ｃ３属于径向接触沟型球轴承，其ｘ＝ｌ、ｙ＝０；且轴承径向载荷Ｆ，就是切向力Ｆ；
由此得
Ｐ，＝．即。＋即。＝Ｆ。＝Ｆ＝７９．３０８ｋＮ
２．４基本额定寿命
Ｌ。。＝（Ｃｒ／Ｐ，）３
式中厶。——基本额定寿命，１００×１０４转；
ｃ，——径向基本额定动载荷，Ｎ；Ｐ，——径向当量动载荷，Ｎ；
Ｌｌｏ＝（Ｃｒ／Ｐ。）３＝（２２９／７９．３０８）３＝２．８８７３＝２４．０６２×１０６转
２．５
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：
Ｌ。。＝口ｌａＳＫＦＬｌｏ
式中，Ｌ。。＝ｓＫＦ轴承额定寿命，可靠度为（１００一凡。）％，运行小时数。
￡，ｏ＝基本额定寿命（可靠度为９０％），１００×１０４转。口．＝寿命可靠性系数，可通过表１查出。
表ｌ轴承可靠性系数表
可靠性／％
９０９５９６９７９８９９
故障可能性
，∥％ｌＯ５
４
ｓＫＦ额定寿命
系数ａｌ
工。￡ｌｏｍ
１Ｏ．６２Ｏ．５３Ｏ．４４Ｏ．３３０．２１
如。厶。厶。如。
Ｌｌｍ
３２ｌ
海洋石油工程技术论文（第四集）
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，口。＝０．６２。ａＳＫＦ系数表示疲劳负荷极限比率（Ｐ。／Ｐ）、润滑条件（黏度比Ｋ）和轴承内污染程度（田。）三者之间的关系，根据润滑手册查得Ｋ＝ｌ
Ｐ。／Ｐ＝６．３／８８．１５４＝Ｏ．０７
根据平台现场的条件，轴承内污染程度（叩ｃ）按一般清洁，查表１可得叼。＝０．６，田。
（Ｐ．１／Ｐ）＝０．０４２。
ｆ／
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鬓鬓互
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／。．／
＿，一一
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茎三ｉ
０．２
０５
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ｎ０５Ｏｌ
图ｌａｓＫＦ系数表
根据ＳＦＫ推荐图１格查得ａＳＫＦ约为Ｏ．８
实际寿命为口ｌａｓＫＦ：￡ｌｏ＝Ｏ．６２×０．８×２４．０６２＝１１．９３４×１０６转折算为运行时间约为．ｓ＝厶。／ｒ＝１６×１０３ｈ
泥浆泵电机按照以上方法计算实际寿命为９０００ｈ，具体计算过程略。
３实际拆检数据
２０１０年５月考虑到绞车电机的使用时间已到三年，我们决定将电机进厂检修，收集相
钻井用大功率电动机轴承更换周期分析
应参数如表２。
・９４１・
表２绞车轴承检测结果统计表Ｉ单位：咖）
、＼篁劢
最大值最小值间隙
轴未＼
绞车Ａ（运行１２１３６ｈ）
＼
＋Ｏ．１０Ｏ．０３Ｃ＝０．１３
负载端
＋Ｏ．１１一Ｏ．０１Ｃ＝Ｏ．１２
＋Ｏ．０７＋Ｏ．０ｌＣ＝Ｏ．０６
自由端
＋Ｏ．０７＋Ｏ．０２Ｃ＝Ｏ．０５
＼詹勘
最大值最小值间隙
轴亲＼
绞车Ｂ（运行１０６８５ｈ）
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＋０．１０＋０．０２Ｃ＝Ｏ．０８
负载端
＋Ｏ．０９＋Ｏ．０ｌＣ＝ｏ．０８
＋０．０７＋０．０２Ｃ＝０．０５
自由端
＋ｏ．０６＋０．０２Ｃ＝Ｏ．０４
ｓＦＫ６３２６
Ｃ３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～Ｏ．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，与计算结果一致，这说明在计算过程中参数的选取符合
实际。
４结论
几年来对各平台数据统计，在工作量较饱满的情况下，绞车一年工作４０００ｈ左右，泥浆泵一年工作２０００ｈ左右，因此按照以上分析结果绞车和泥浆泵电机可四至五年更换一次轴承。事业部此类电机共６３台，而更换一次轴承，每台电机需５万元左右，按此计算，每年可节约电机维修费用约４０万元。
我们通过理论计算与实际分析相结合，很好地解决了有关钻井行业大功率变频电机轴承更换周期的问题，节约了维修成本，同时，也让我们清楚地认识到设备的修理不能一味完全按照说明书的要求，必须与实际使用情况相结合，希望此文能为从事钻井设备管理的技术人员提供一定的参考和帮助，也为设备管理技术人员做到精细化管理提供一个思路。