低速鼓風(fēng)機軸承選用分析

陳勇

（南通大通寶富風(fēng)機有限公司，江蘇 南通226000）

鼓風(fēng)機是一種將機械能轉(zhuǎn)化為高氣壓風(fēng)能的的機械，它是利用旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使機械能轉(zhuǎn)換成風(fēng)能。低速鼓風(fēng)機由機殼、主軸、葉輪、傳動部以及電機組成。滾動軸承壽命在實際運行中同時受到多種應(yīng)用條件的影響，如載荷、轉(zhuǎn)速、溫度、沖擊、振動、潤滑以及受污染程度等。軸承的實際工作壽命是否與計算壽命相一致，與應(yīng)用情況息息相關(guān)。

1 背景介紹

我司為某公司年產(chǎn)30萬t以內(nèi)的酰胺擴建工程配供K-72810A/B蒸汽壓縮風(fēng)機組設(shè)備。設(shè)備采用單級離心式壓縮風(fēng)機，軸向進氣，徑向排氣，采用的是葉輪懸臂支撐結(jié)構(gòu)，電機驅(qū)動，變頻調(diào)速。采用2臺低速機型蒸汽壓縮機串聯(lián)布置工作方式。設(shè)備必須保證投用后每次連續(xù)穩(wěn)定運行時間不小于20 000 h。壓縮風(fēng)機要求出廠空負(fù)荷運轉(zhuǎn)測軸承座殼（葉輪側(cè)）處最大振動速度均方根值小于4 mm/s或振動位移值小于50 μm。軸承箱潤滑形式采用稀油強制潤滑形式，設(shè)置獨立潤滑油站。油站布置有2臺油泵（一開一備）、雙聯(lián)油過濾器、油冷卻器等輔助設(shè)施。設(shè)備工藝設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備工藝設(shè)計參數(shù)

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及強度校核

假設(shè)主軸與軸承配合檔尺寸為Φ180 mm，主軸與葉輪配合檔尺寸為Φ160 mm，主軸與聯(lián)軸器配合檔尺寸為Φ120 mm，對主軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及臨界轉(zhuǎn)速校核，如圖1～圖3所示。

圖1 臨界速度模態(tài)形狀

圖2 臨界速度圖

圖3 臨界速度能量分布

此項目選用剛性軸，一階臨界轉(zhuǎn)速為4 431 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，nc1>1.25n100，符合JB/T 7258—2006《一般用途離心式鼓風(fēng)機》標(biāo)準(zhǔn)中剛性軸部分要求。

3 軸承應(yīng)用數(shù)據(jù)

滾動軸承的承載能力與軸承的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)。一般情況下，在軸承結(jié)構(gòu)一定時，軸承外形尺寸越大，承載能力越大。在軸承外形尺寸一定時，滾子軸承的承載能力大于球軸承，其值為球軸承的1.5～3倍。為了便于各種軸承結(jié)構(gòu)承載能力之間的比較，承載能力也可用“額定動載荷比”來表示，其含義是向心軸承的額定動載荷植與相同外形尺寸的深溝球軸承（推力軸承與推力球軸承相比）額定動載荷的比值。通過比值大小可以了解各種軸承承載能力。

在選用軸承時，對于同一套軸承套之間有相對運動的應(yīng)用，將基本額定動載荷作為選擇承載能力的指標(biāo)。對于套圈之間相對靜止或轉(zhuǎn)速很低的軸承，可以將基本額定靜載荷作為選擇承載能力的指標(biāo)。

在選擇軸承時，如果極限轉(zhuǎn)速不能滿足使用要求時，可以通過提高軸承零件的制造精度、改變軸承結(jié)構(gòu)、保持架結(jié)構(gòu)或保持架的村料、對零件表面過行減磨處理、合理選擇潤滑方式或潤滑劑的性能等方法來提高軸承的極限轉(zhuǎn)速。

在軸承內(nèi)徑尺寸相同時，外徑尺寸越小，滾動體的尺寸越小，零件的質(zhì)量越輕，運轉(zhuǎn)時的離心力也就越小，因此，在滿足承載能力的前提下，可以選擇輕載軸承。保持架的結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)速也有很大的影響。一般實體保持架比沖壓保持架的極限轉(zhuǎn)速高。

本項目選定兩側(cè)均為深溝球軸承6236 M/C3，計算風(fēng)機軸承的壽命和軸承剛度，軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，額定轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，最高轉(zhuǎn)速為3 300 r/min，軸水平放置。近葉輪側(cè)軸承受徑向力為9 850 N，另一側(cè)軸承受徑向力為752.5 N，軸向力為9 000 N。選用循環(huán)油潤滑，潤滑油牌號為ISO VG 46，假定潤滑劑入口油溫40℃，流量按照1 L/min計算。公差配合為軸與軸承內(nèi)圈配合m6，軸承座與軸承外圈配合H7。環(huán)境溫度為20℃。受力如圖4所示。

圖4 風(fēng)機受力圖

4 軸承分析

4.1 軸承潤滑劑

軸承選用的潤滑劑是潤滑油ISO VG 46，循環(huán)油潤滑，流量為1 L/min，軸承外圈溫度為70℃，內(nèi)圈溫度為80℃。流量為1 L/min、潤滑劑溫度為80℃時潤滑劑的參數(shù)如表2所示。不同流量下軸承外圈溫度值（假定軸承受9 850 N的徑向力，轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，入口油溫為40℃）如表3所示。從表3中可以看出，潤滑油的流量越大，軸承的外圈溫度越低，軸承潤滑劑的溫度越低。想使軸承溫度降低，可以加大潤滑劑的流量，或降低入口的油溫。軸承在工作時，通常內(nèi)圈溫度總是高于外圈溫度5～10℃，內(nèi)圈的熱膨脹也大于外圈。由于工作溫度的影響，軸承的工作游隙會比安裝時的小，因此在軸承造擇時應(yīng)考慮抽承使用溫度的影響因素。

表2 潤滑油的參數(shù)

表3 不同流量下軸承外圈溫度

表3 （續(xù)）

4.2 軸承類型和參數(shù)

軸承類型和參數(shù)如表4所示。

表4 軸承類型和參數(shù)

4.3 軸承計算

軸承在內(nèi)圈或外圈滾道或者滾動體首次出現(xiàn)金屬疲勞（剝落）跡象之前，軸承以一定速度運行所能夠達到的旋轉(zhuǎn)次數(shù)或工作小時數(shù)稱為軸承壽命。動載荷在中低速（低于0.5倍的限轉(zhuǎn)速）條件下工作時，轉(zhuǎn)速的高低對選擇軸承沒有太大的影響。但滾動軸承轉(zhuǎn)速較高時，滾動體和保持架產(chǎn)生的慣性力會導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)和潤滑狀態(tài)的惡化，如旋轉(zhuǎn)精度下降、振動和聲音加劇、工作溫度上升、運轉(zhuǎn)打滑等，嚴(yán)重時還將造成軸承零件燒仿或黏著磨損失效的發(fā)生。

計算中考慮了潤滑條件（潤滑條件-粘度比κ）、與軸承疲勞載荷極限相關(guān)的載荷等級以及表示污染水平的系數(shù)ηc（污染系數(shù)，ηc）。假定軸承運行溫度為軸80℃，軸承外圈溫度70℃，軸承轉(zhuǎn)速3 200 r/min，軸承荷載示意圖如圖5所示，軸承的承載和壽命如表5所示。

圖5 軸承荷載示意圖

表5 軸承承載以及壽命

4.4 軸承剛度

滾動軸承的剛性就是指滾動體與滾道在載荷作用下產(chǎn)生變形后的相對位移關(guān)系。變形量與載荷的比值決定了剛度的大小，變形量越小，剛度越大?？梢酝ㄟ^施加預(yù)載荷來提高軸承的剛度，增加軸承的剛度可以提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，減少振動和噪聲，減少慣性力引起的打滑現(xiàn)象，補償零件磨損引起的尺寸變化。合適的剛度還能改善零件之間的接觸狀況，使零件受力分布更加合理，從而提高軸承的疲勞壽命。剛度與軸承的結(jié)構(gòu)、接觸角、滾動體的尺寸和數(shù)量、載荷大小等有關(guān)。軸承剛度值表6所示。

表6 軸承剛度值

5 結(jié)論

廣義的滾動軸承壽命包括疲勞壽命、磨損壽命、精度壽命、密封壽命、振動壽命、擺動壽命等，這些都根據(jù)軸承不同應(yīng)用場合或主機的使用特點來劃分的。通常所說的壽命是指軸承的疲勞壽命。軸承的疲勞壽命是指一套軸承中的一個套圈或滾動體的材料上出現(xiàn)第一個疲勞擴展跡象之前的時間。軸承的一個套圏相對另一個套圈旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。影軸承壽命的因素很多，有軸承材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件制造、使用等?；谠O(shè)計參數(shù)及所選用的軸承布置，潤滑油選用ISO VG 46，潤滑油量1 L/min，對軸承壽命和剛度進行計算，計算得到近葉輪側(cè)軸承外圈溫度71℃，使用了2種計算方法，即ISO基本額定壽命計算方法和SKF修正額定壽命計算方法。通過ISO基本額定理論壽命計算，在近葉輪側(cè)6236 M/C3的壽命為62 726 h，在非葉輪側(cè)6326 M/C3的壽命為49 503 h；根據(jù)SKF基本額定壽命計算方法，在近葉輪側(cè)6236 M/C3壽命大于100 000 h，在非葉輪側(cè)6236 M/C3壽命為73 742 h。上述壽命符合國內(nèi)普遍要求5年壽命要求，故最終確定該軸承選用6236 M/C3。