低速鼓風機軸承選用分析

陳勇

（南通大通寶富風機有限公司，江蘇 南通226000）

鼓風機是一種將機械能轉化為高氣壓風能的的機械，它是利用旋轉的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使機械能轉換成風能。低速鼓風機由機殼、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用條件的影響，如載荷、轉速、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，與應用情況息息相關。

1 背景介紹

我司為某公司年產30萬t以內的酰胺擴建工程配供K-72810A/B蒸汽壓縮風機組設備。設備采用單級離心式壓縮風機，軸向進氣，徑向排氣，采用的是葉輪懸臂支撐結構，電機驅動，變頻調速。采用2臺低速機型蒸汽壓縮機串聯布置工作方式。設備必須保證投用后每次連續穩定運行時間不小于20 000 h。壓縮風機要求出廠空負荷運轉測軸承座殼（葉輪側）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，設置獨立潤滑油站。油站布置有2臺油泵（一開一備）、雙聯油過濾器、油冷卻器等輔助設施。設備工藝設計參數如表1所示。

表1 設備工藝設計參數

2 轉子結構及強度校核

假設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，主軸與聯軸器配合檔尺寸為Φ120 mm，對主軸進行結構設計及臨界轉速校核，如圖1～圖3所示。

圖1 臨界速度模態形狀

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，一階臨界轉速為4 431 r/min，風機轉速為3 200 r/min，nc1>1.25n100，符合JB/T 7258—2006《一般用途離心式鼓風機》標準中剛性軸部分要求。

3 軸承應用數據

滾動軸承的承載能力與軸承的結構和尺寸有關。一般情況下，在軸承結構一定時，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構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用，將基本額定動載荷作為選擇承載能力的指標。對于套圈之間相對靜止或轉速很低的軸承，可以將基本額定靜載荷作為選擇承載能力的指標。

在選擇軸承時，如果極限轉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、改變軸承結構、保持架結構或保持架的村料、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速。

在軸承內徑尺寸相同時，外徑尺寸越小，滾動體的尺寸越小，零件的質量越輕，運轉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。保持架的結構對轉速也有很大的影響。一般實體保持架比沖壓保持架的極限轉速高。

本項目選定兩側均為深溝球軸承6236 M/C3，計算風機軸承的壽命和軸承剛度，軸承內圈旋轉，額定轉速為3 200 r/min，最高轉速為3 300 r/min，軸水平放置。近葉輪側軸承受徑向力為9 850 N，另一側軸承受徑向力為752.5 N，軸向力為9 000 N。選用循環油潤滑，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圈配合m6，軸承座與軸承外圈配合H7。環境溫度為20℃。受力如圖4所示。

圖4 風機受力圖

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，循環油潤滑，流量為1 L/min，軸承外圈溫度為70℃，內圈溫度為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，通常內圈溫度總是高于外圈溫度5～10℃，內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考慮抽承使用溫度的影響因素。

表2 潤滑油的參數

表3 不同流量下軸承外圈溫度

表3 （續）

4.2 軸承類型和參數

軸承類型和參數如表4所示。

表4 軸承類型和參數

4.3 軸承計算

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

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的載荷等級以及表示污染水平的系數ηc（污染系數，ηc）。假定軸承運行溫度為軸80℃，軸承外圈溫度70℃，軸承轉速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生變形后的相對位移關系。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精度，減少振動和噪聲，減少慣性力引起的打滑現象，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。剛度與軸承的結構、接觸角、滾動體的尺寸和數量、載荷大小等有關。軸承剛度值表6所示。

表6 軸承剛度值

5 結論

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，這些都根據軸承不同應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的轉速。影軸承壽命的因素很多，有軸承材料、結構設計、零件制造、使用等?；谠O計參數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6236 M/C3的壽命為62 726 h，在非葉輪側6326 M/C3的壽命為49 503 h；根據SKF基本額定壽命計算方法，在近葉輪側6236 M/C3壽命大于100 000 h，在非葉輪側6236 M/C3壽命為73 742 h。上述壽命符合國內普遍要求5年壽命要求，故最終確定該軸承選用6236 M/C3。