高壓比鼓風機增速箱推力軸承試驗及改進

楊 微，王中軍，毛佳佳，喬小芬

（南京蔚邦傳動技術有限公司，江蘇 南京 210038）

在設計條件下，壓縮比e=2～3 的風機為高壓鼓風機，本文提到的高壓鼓風機為離心鼓風機，高壓離心鼓風機由于具有運行平穩(wěn)、運轉效率高、噪聲相對較低、機械磨損微小等特點，目前已經(jīng)普遍運用在環(huán)保水處理、廢水處理、電廠城市污水處理等領域[1]。

滑動軸承是高壓鼓風機增速箱中極其重要的部件，在高壓風機轉子傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的作用，滑動軸承在風機增速箱運行中，一項重要的質量指標是盡可能減小軸承溫升，軸承溫度超標是使軸承損壞的重要因素之一，如果增速箱軸承溫度過高會導致風機故障、油封燒壞、葉輪卡死等情況，因此軸承本身的質量至關重要，軸承本身振動過大、質量不過關都會影響潤滑油膜的穩(wěn)定性，導致軸承溫度過高[2]。

針對某公司整機運轉過程中，振動值未超標，而推力軸承出現(xiàn)溫度較高、不滿足設計要求、推力面易損傷的情況，對推力軸承推力面進油孔、油楔深度、油槽等部分進行適度的改進，經(jīng)過2 次改進試驗，軸承溫度滿足設計要求，最終解決軸承溫度過高的現(xiàn)象。

1 可傾瓦徑向軸承結構及工作原理

高速轉子由2 個可傾瓦徑向軸承支持，軸向設有止推軸承，轉子包括高速軸，固定在軸上的葉輪、螺桿、鎖緊螺母及推力盤。高速轉子與軸承裝配圖如圖1 所示。

圖1 高速轉子與軸承裝配圖

可傾瓦徑向止推軸承是風機的核心零件，也是機械維修的重點和難點，可傾瓦徑向軸承用以支持轉子使之高速運轉，止推軸承則承受轉子上剩余軸向力，限制轉子的軸向竄動，保持轉子在齒輪箱中的軸向位置，止推軸承推力面結構如圖2 所示。

圖2 止推軸承推力面結構圖

可傾瓦徑向軸承在工作時，軸頸不停地回轉，潤滑油帶入到軸頸和軸承之間，從而形成一層薄薄的油膜，由于軸頸和軸承中心并不同心，而是有一個偏心，這種楔形油膜可以使轉子浮起來。止推軸承推力面是固定瓦式的推力軸承，止推面上開有單方向的楔形傾斜角，轉子旋轉時，由于潤滑油有一定的黏性，軸徑上的油有一部分從進油孔被帶到推力面上，在推力面與止推盤間形成油膜壓力，承受轉子的軸向推力[3]。

2 軸承的設計參數(shù)及計算

最小油膜厚度是非常重要的參數(shù)，用以保證在過載時，兩工作面不發(fā)生接觸，且能夠避免油污可能卡在工作表面之間的間隙中[4]，在相同的進口油壓和轉速下，油膜厚度越小，油膜壓力越大，其剛度越大，對軸瓦的壓力就越大，油膜厚度越大，油膜的剛度越低，油膜不穩(wěn)定，則起不到承載的能力，因此油膜厚度在推力滑動軸承工作過程中起著至關重要的作用。

油膜厚度的表達式分為支點處油膜厚度、繞支點軸瓦徑向傾角引起的油膜厚度、繞支點軸瓦周向傾角引起的油膜厚度[5]。

高速軸承的設計輸入如表1 所示。

表1 軸承設計輸入?yún)?shù)

推力面計算結果如表2 所示。

表2 推力面計算結果

3 風機運行情況及原因分析

3.1 運行情況

高壓比風機轉速20 540 r/min，電機2 980 r/min，軸承的設計要求：軸承溫度小于等于95 ℃。

軸承推力面進油孔直徑Φ3 mm，油楔深0.038 1～0.063 5 mm，運行時間為4 h，進油壓力0.26 MPa，進油溫度41.3 ℃。

運行結果：徑向瓦溫度73.6 ℃，推力瓦溫度最高為105 ℃。

推力瓦溫度遠大于95 ℃，不滿足設計要求。

3.2 原因分析

3.2.1 振動因素

風機振動過大，不利于軸承油膜的形成，易導致推力軸承溫度過高，在該風機運行過程中，對軸位移進行測試，滿足振動要求，排除因振動過大導致軸承溫度過高的原因。

3.2.2 潤滑油品質因素

若潤滑油中含有雜質顆粒，當細小顆粒進入推力瓦塊的表面與推力盤之間后，小顆粒硬物易劃傷瓦塊表面，造成瓦塊表面粗糙度增加、光潔度降低，或者細小顆粒殘存在進油孔處，導致潤滑不暢，從而引起軸承溫度過高，在對潤滑油檢測后，潤滑油的清潔度滿足要求，排除潤滑油品質因素。

3.2.3 推力面的光潔度因素

軸承瓦塊推力面的加工精度不夠，粗糙度高，使得軸承瓦塊表面和推力盤形成油膜的厚度過小，使軸承瓦塊表面和推力盤接觸，導致油膜不能形成，造成瓦塊的研磨，使瓦塊溫度高。推力面的光潔度不好是軸承溫度過高的原因之一，后續(xù)可對軸承的光潔度進一步進行改進。

3.2.4 進油孔徑及推力面油楔的深度因素

對增速箱高速軸支承軸結構進行分析，軸承運轉過程中，推力面上的潤滑油是通過進油孔被帶到推力面上，因此進油孔的大小會影響推力面上潤滑油量，另一方面推力面上的進油孔同時還起到卸油的作用，徑向軸承和軸徑中的油通過進油孔被帶到推力軸承上，進油孔徑過小，推力面油楔的深度不足，會使得潤滑油在此處形成死區(qū)，回油不暢，熱量無法帶走，從而會導致軸承溫度過高[6]，可見軸承供油結構不合理是導致軸承溫度偏高的主要原因。

4 改進措施及效果

4.1 第一次改進測試

潤滑不良是導致軸承溫度偏高的主要原因，在進油壓力無法改變的情況下，第一次改進測試中，優(yōu)先優(yōu)化進油孔的直徑，使得進入推力軸承的油量增加，這樣就可在推力盤與工作面之間建立良好的油膜。

改進措施：推力面進油孔直徑由Φ3 mm 增大至Φ6 mm，油楔深度增加至0.06～0.09 mm。

運行時間4 h，進油壓力0.26 MPa，進油溫度41.3 ℃。

運行結果：徑向瓦溫度75.4 ℃，推力瓦溫度最高為97.5 ℃。

進油孔直徑及油楔深度增加后，推力瓦最高溫度仍有97.5 ℃，大于設計溫度95 ℃，不滿足設計要求，但較未改進前整體溫度都有很大的改善。

4.2 第二次改進測試

由于推力面的光潔度影響軸承溫度，因此在第一次改進的基礎上，對進油孔處、油楔斜面再進一步改進，改進措施如下。

用金相砂紙修磨油楔斜面，同時提高推力面光潔度。原油楔斜面深度為0.06～0.09 mm，現(xiàn)將原油楔斜面修磨至0.09～0.13 mm。油楔斜面修磨量如圖3 所示。

圖3 油楔斜面修磨量

油槽一邊進行倒角。在油楔斜面低處的油槽一邊進行倒角，對潤滑油起到一定的導向作用，很好地將油槽中的油導入到楔形間隙中，油槽倒角圖如圖4所示。

圖4 油槽倒角圖

修推力面和平面過渡處有的臺階。推力面和平面過渡處的臺階及止推面加工精度不足，對油膜的形成有一定的影響，使得潤滑油不能充分分布在推力面上，加劇軸承推力面磨損，使得推力軸承溫度升高，如圖5所示。

圖5 修前后推力面圖

運行結果：徑向瓦溫度81.7 ℃，推力瓦最高溫度為84.4 ℃。

第二次改進后，推力瓦溫度小于設計溫度95 ℃，滿足設計要求。

5 結果分析及建議

軸承改進前后風機3 次運行測試對比情況如表3及圖6 所示。

表3 3 次風機測試情況表

圖6 3 次風機測試推力瓦溫度隨時間變化趨勢圖對比

由圖6 可以看出，第二次改進后，軸承的溫度明顯下降，推力瓦溫穩(wěn)定在90 ℃以下，完全滿足設計要求。

本測試是在進油壓力和進油溫度基本相同及同一設備的條件下運行，保證測試條件的一致性，由上可知，整改后，推力瓦溫度降低較為明顯，改進效果顯著，因此建議軸承制造過程中提高軸瓦和推力面的光潔度、對油楔斜面低處的油槽一邊進行倒角、推力面和平面交界處應平滑過渡、油楔斜面的深度要合理。