核電廠皮帶式風機軸承載荷計算及應用

饒海濱

（陽江核電有限公司，廣東陽江 529941）

0 引言

滾動軸承是核電廠皮帶風機的關鍵部件，一旦軸承失效，將會引起嚴重后果。皮帶風機的載荷對軸承的使用壽命有著重要影響：過大會造成設備運轉噪聲和振動增大，使軸承承載能力不足，縮短軸承使用壽命；過小則會使軸承滾動生熱增多，導致系統溫度過高，甚至燒損軸承、引發故障，所以載荷計算是選擇適當軸承型號的重要工作內容。

1 皮帶軸承承受的載荷計算

某核電廠的電氣廠房主通風系統風機使用OPTIBELT品牌的窄V皮帶，為防止運行過程皮帶出現打滑情況，將皮帶的張緊力調整至規定的范圍。

皮帶張緊力作用在軸上的徑向力Fr，通過式（1）得出：

式中 Fr——作用在軸上的徑向力，N

α1——小帶輪包角

Z——皮帶的根數

通過在V帶與兩帶輪切點的跨度中點處垂直下壓皮帶，使皮帶每100 mm產生1.6 mm的撓度，測量該垂直下壓力（圖1）。其中，G為下壓力，α為兩帶輪中心距，t為皮帶與兩帶輪切點的距離。

圖1 下壓力的測量

對于測量新皮帶的初始下壓力G，通過式（2）得出：

式中 ΔF0——初拉力增量，N（可通過查表[3]得到）

G——下壓力，N

由式（1）、（2），可得出皮帶張緊力作用在軸上的徑向力Fr。

2 軸承載荷計算應用

2.1 軸承載荷計算過程

2019年4月，電氣廠房主通風系統風機驅動端軸承處有焦糊味，振動值超過停機值，立即停運風機。在軸承解體檢修中發現，滾動體、保持架出現嚴重磨損，油脂碳化，軸承嚴重損壞。查詢該風機軸承的更換歷史，1個月前曾對該風機進行過軸承替代換型，軸承型號由SKF 2309 ETN9替代為SKF 22309E。

對損壞的軸承進行了分析，認為該通風機的故障失效是由于軸承替代論證過程中未核算軸承最小負荷所造成的。

電氣廠房主通風系統風機的參數見表1，其下壓力為15～21 N。

作用在風機軸承的徑向力，由皮帶張緊力作用于軸上的力、葉輪的自重和轉軸的自重組成（圖2）。

圖2 軸承的受力示意

將表1中的風機參數帶入式（3）中，風機軸承承受的徑向力為1060～1444 N，取大值1444 N。軸承型前后的相關參數及所受載荷數據見表2。

表1 某風機參數及張力核算

表2 電氣廠房主通風機軸承換型前后的相關參數

軸承運行時所需的最小負荷可用式（4）[2]估算：

其中，Pm為最小負荷，C0為基本額定動負荷。

軸承的當量動負荷可用式（5）[3]計算：

其中，P為最小負荷，Y0為計算系數。

將表2風機軸承換型前后的相關參數代入式（4）、（5）可得出：軸承22309E的當量動負荷為1640 N，運行時所需的最小負荷為1830 N；2309 ETN9的當量動負荷同為1640 N，運行時所需的最小負荷為193 N。

換型后的軸承（22309E）運行時當量動負荷小于軸承允許最小負荷，滾動體出現滑動摩擦。

2.2 軸承故障邏輯推理過程

2019年2月24日，電氣廠房主通風機軸承更換完成后啟動驗證，軸承的振動、溫度參數均無異常，但是滾動體已經處于滑動摩擦的狀態，加劇摩擦生熱，使得軸承工作溫度高、軸承工作面上形成早期的異常磨損。在軸承運行初期，軸承滾動體由于滑動摩擦異常磨損，但因為在運行初期潤滑脂比較充分，軸承能運行在一個相對高的溫度下（和正常情況對比）。隨著運行時間的延長，由于工作溫度高，潤滑脂性能下降得更快，潤滑周期則相應變短，如果還按照原來的潤滑周期來補充新潤滑脂，則軸承將得不到很好的潤滑，導致軸承運行溫度進一步升高、潤滑周期變短，其最終的結果就是，軸承表面過熱軟化，滾子、保持架、軸承內外圈的機械強度減小，軸承開始變形，轉動阻力增大；軸承內圈出現異常剝落，隨著過熱和剝落的發展，會導致保持架運轉阻滯并產生附加載荷（保持架異常載荷），加劇保持架的磨損過熱直至磨損斷裂；軸承內圈、外圈的滾道面或滾動體面，由于滾動疲勞而呈現魚鱗狀的剝離融根等。

隨著風機持續運行，情況進一步惡化，軸承內部溫度急劇升高、油脂被碳化出焦糊味，軸承滾柱在無保存架固定的作用調轉90°，出現劇烈振動。

2.3 改進建議

為了提高軸承的承載能力、軸承的使用壽命，同時也要使軸承的載荷滿足運行。軸承的額定壽命為L10，因為軸承轉速近似為固定值，軸承壽命通常用工作小時數表示：

式中 L10——基本額定壽命（90%可靠性），h

L10h——基本額定壽命（90%可靠性），h

C——基本額定動負荷，kN

P——當量動負荷，kN

n——軸承轉速，r/min

p——計算系數，球軸承取3、滾子軸承取3.3

為提升電氣廠房主通風機軸承的額定壽命，滿足運行時最小負荷的要求，根據SKF廠家的建議將下壓力調整為25～35 N，電氣廠房主通風機軸承的當量負荷為2447～3407 N。此時，選用軸承型22309E的滿足軸承運行時最小負荷的需求，滾動體不會出現滑動摩擦。將軸承的相關參數代入式（6）、式（7），得到電氣廠房主通風機軸承使用型號為22309E的額定壽命約341×106h、使用2309 ETN9時額定壽命約0.044×106h，可見使用前者的額定壽命遠大于后者。同時，如果增加皮帶下壓力后，使用2309 ETN9時的額定壽命將不滿足1×105h[3]的使用壽命要求。

3 結論

（1）通過對電氣廠房主通風機軸承替代換型前后的載荷計算，分析替代后軸承22309E不滿足風機運行時所需最小負荷的要求，滾動體出現滑動摩擦，最終導致軸承出現損壞。

（2）在皮帶風機軸承選型過程中，須統籌核算軸承運行時所需的最小負荷、軸承下壓力、軸承壽命，選擇合適的皮帶下壓力和軸承型號，才能有效提高軸承的使用壽命，降低軸承故障率。