廣州地鐵VV120型空壓機曲軸軸承壽命評估

陳 飛，邱華新

（廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州430070）

0 前言

隨著廣州地鐵近年來的不斷發展，在軌運營車輛的類型及數量也逐漸增多，截止到2018年達到2000多輛。同時，車輛維修量也逐漸增加，特別是部分運行時間超過10年的車輛陸續進入大修或更高一級的維修修程，使車輛部件維修需求越來越大。由于目前對車輛運營安全的要求越來越高，故對車輛維修的深度和廣度也提出了更加嚴格的要求。

目前，絕大部分的廣州地鐵車輛采用的是VV120型空壓機。該型空壓機為德國克諾爾公司設計制造的一款活塞式空壓機。空壓機作為地鐵車輛的一個重要部件，主要作用是為車輛提供氣源，供各用氣系統使用。具體過程是空壓機將壓縮后的空氣通過風管輸送到車門、受電弓、車鉤和空氣制動系統等各個用氣系統部件，從而使其完成一系列行車動作，例如開關門、升降弓、解鉤和制動等。由于VV120型空壓機內部結構復雜，目前廣州地鐵對該型空壓機的自主維修均以生產廠家克諾爾提供的維修手冊為依據進行維修。通過多年空壓機維修經驗積累，發現維修手冊提供的維修周期過于保守，很多部件到達維修手冊規定的維修周期時，狀態仍然良好，若空壓機的所有部件均按維修手冊要求的周期進行維修，則會造成過度維修，造成資源的浪費。因此，本文以空壓機重要部件曲軸軸承為例，對其進行壽命評估，從而較為準確地確定軸承的維修周期，降低維修成本。

本文以廣州地鐵VV120型空壓機壓縮機為研究對象，通過對壓縮機進行受力分析，進而對壓縮機曲軸軸承進行壽命計算，同時對軸承狀態進行現場評估，從而對軸承壽命進行評估，為軸承維修周期的確定提供依據。

1 壓縮機受力分析

空壓機壓縮機主要由活塞、連桿和曲軸組成，各部件的運動關系可簡化為曲柄連桿機構，其運動關系如圖1所示。壓縮機在正常運轉過程中，作用于曲柄連桿機構的力主要有三種[1]：（1）氣體壓力；（2）曲柄連桿機構運動時產生的慣性力；（3）接觸表面相對運動產生的摩擦力。由于壓縮機曲柄連桿機構在設計制造時，已對曲軸進行平衡處理，配置平衡配重，如圖2所示，同時對整個機構進行動平衡試驗，因此不平衡慣性力很小，在進行軸承受力計算時可以忽略不計。曲柄連桿機構所受的摩擦力隨曲軸轉角變化而變化，且較為復雜。考慮到壓縮機內潤滑狀態良好，且摩擦力較氣體壓力要微小很多，因此在進行軸承受力計算時為了簡化計算忽略了摩擦力的影響。

圖1 壓縮機曲柄連桿機構

圖2 壓縮機曲軸

由上述分析可知，在進行軸承壽命計算時，只需考慮氣體壓力即可。由試驗測得，在工作時，空壓機高壓缸的壓力范圍為600~1 100 kPa，低壓缸的壓力小于等于260 kPa。作用于活塞上的氣體力F為活塞兩側氣體壓力差與活塞上表面面積的乘積，如式（1）所示。

式中：Pg表示氣缸中的氣體壓力；Px表示曲軸箱中的氣體壓力，取為大氣壓；A為活塞上表面面積。

測得高壓缸活塞直徑為75 mm，低壓缸活塞直徑為95 mm，則高、低壓活塞上表面面積分別為4.418× 10-3mm2，7.088× 10-3mm2。將氣體壓力和活塞上表面面積代入式（1）計算得，作用于高壓缸活塞的氣體力F1為2 209 N~4 418 N，作用于低壓缸活塞的氣體力F2為1 134.08 N，具體數據見表1。

表1 壓縮機活塞參數數值表

2 曲軸軸承壽命計算

廣州地鐵VV120型空壓機壓縮機曲軸軸承是軸承代號為6309的深溝球軸承。查閱《機械設計》[2]知軸承壽命表達式如式（2）。

式中：Lh表示以小時數表示的軸承壽命；n表示軸承轉速，為1 450 r/min；C表示軸承基本額定動載荷；P表示軸承當量動載荷。

軸承當量動載荷P可由式（3）表示，式中fp為載荷系數，X、Y分別為徑向載荷系數和軸向載荷系數，Fa、Fr分別為軸向載荷和徑向載荷。

為了計算出軸承的壽命，需對軸承進行受力分析。下面對壓縮機曲軸軸承進行受力分析，進而計算軸承壽命。

VV120型空壓機壓縮機有一個高壓缸和兩個低壓缸，高壓缸軸線與兩低壓缸軸線的夾角均為60°，兩低壓缸軸線的夾角為120°。壓縮機曲柄連桿機構與軸承的受力如圖3所示，F1、F21和F22分別表示高低壓缸活塞的氣體力，Fr1和Fr2表示兩軸承所受的徑向載荷。為了計算出軸承的最小壽命，F1、F21和F22均取最大值。經力的平衡計算得Fr1=1 757.66 N，Fr2=3 794.42 N。

圖3 曲柄連桿機構與軸承的受力

由式（3）計算兩曲軸軸承的當量動載荷P。由于空壓機正常運轉時，載荷性質為無沖擊或輕微沖擊，故fp取1.0。由于兩軸承均只受徑向力，故X=1，Y=0。由式（3）計算得兩軸承的當量動載荷分別為P1=1 757.66 N，P2=3 794.42 N。因為 P2＞ P1，所以按軸承2的受力大小驗算軸承壽命。將P2代入式（2）得查看《機械設計手冊》[3]和《機械設計課程設計手冊》[4]知6309軸承的基本額定動載荷C為 52.8 kN，ε 為 3，則

查看空壓機維修手冊知，空壓機大修期為每運轉12 000 h進行大修，或以每年運行18萬公里計，最遲8年進行大修。根據維修手冊的指導，目前廣州地鐵車輛空壓機的大修期為每運行10年或每運行120萬公里進行大修。

由上述計算知，根據實際載荷計算出的曲軸軸承最小壽命為30 970 h，遠大于空壓機的大修時間12 000 h，且滿足第二次大修的使用時間要求。

3 曲軸軸承現場評估

為了進一步驗證曲軸軸承的壽命，將運行10年后大修更換下來的軸承舊件與軸承新件進行對比分析。大修更換下來的軸承舊件與軸承新件如圖4所示。通過分析發現，軸承舊件狀態良好，轉動正常，無卡滯情況，也未出現疲勞點蝕、塑性變形、磨損與膠合等軸承失效情況，僅在軸承內圈出現擦痕，如圖4圈處所示。這是軸承轉動過程中與軸承擋圈摩擦造成的，但并未造成軸承表面擦傷。

圖4 大修更換下來的曲軸軸承舊件與軸承新件對比

通過上述對曲軸軸承進行壽命計算，以及對10年大修更換的軸承舊件進行評估，得出運行10年后的曲軸軸承狀態良好，未出現失效情況，且軸承在一個大修期運轉的時間遠小于根據實際載荷計算出的軸承壽命。因此，擬建議空壓機第一次大修時不更換曲軸軸承。

4 結論

本文以廣州地鐵VV120型空壓機壓縮機為研究對象，通過對壓縮機進行受力分析，對壓縮機曲軸軸承進行壽命計算，同時對軸承狀態進行現場評估，完成了對軸承壽命的評估，得出如下結論：

相較于此前憑借維修手冊和維修經驗判斷空壓機曲軸軸承的壽命，本文在維修手冊和維修經驗的基礎上，引入理論計算來評估空壓機曲軸軸承的最小壽命，評估結果更具客觀性。

運行10年的廣州地鐵VV120型空壓機曲軸軸承狀態良好，未出現失效情況，且根據實際載荷計算出的軸承壽命滿足兩次大修期24 000 h的使用要求。因此，擬建議空壓機在第一次大修時不更換曲軸軸承，到第二次大修時再進行更換。不過，最終的結論需后續進一步通過曲軸軸承實際使用情況確定。