壓縮機(jī)高速動平衡軸承的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

郝春娜，丁建陽，翟慎宇

沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)工藝部，遼寧沈陽 110869

0 引言

動平衡技術(shù)是指旋轉(zhuǎn)機(jī)械在與其工作狀態(tài)相同或相近的轉(zhuǎn)速、安裝條件、支承條件和負(fù)載情況下，對其進(jìn)行振動測量或平衡校正的一種平衡方法。經(jīng)過大量實(shí)踐數(shù)據(jù)證明，50%以上的機(jī)械振動可以歸結(jié)為“不平衡”造成的。因此，成功地消除或減小轉(zhuǎn)子不平衡量是降低機(jī)械振動的主要手段。壓縮機(jī)高速軸承是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子做高速動平衡實(shí)驗(yàn)必不可少的零件之一，軸承設(shè)計(jì)的合理性直接影響著轉(zhuǎn)子高速動平衡的精度，進(jìn)而影響整臺壓縮機(jī)機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。因此，高速動平衡軸承的研制不僅是技術(shù)上的要求，也是經(jīng)濟(jì)效益的需要。

1 軸承設(shè)計(jì)的必要性（問題的提出）

隨著集團(tuán)經(jīng)營規(guī)模的不斷擴(kuò)展，市場逐漸的大型化，新產(chǎn)品的不斷研發(fā)，如何保證透平壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量在一個(gè)合理范圍數(shù)值內(nèi)成為技術(shù)關(guān)鍵。轉(zhuǎn)子的不平衡是所有同行業(yè)生產(chǎn)過程中的常見問題，也是誘發(fā)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障的主要原因之一。高速用動平衡軸承由最初的圓瓦到橢圓瓦幾個(gè)技術(shù)時(shí)代的變更已經(jīng)滿足不了產(chǎn)品大型化的發(fā)展變化。又由于轉(zhuǎn)子的重量、平衡精度、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同，轉(zhuǎn)子的支撐端軸徑也在相應(yīng)的變化。因此，一系列軸徑軸承的設(shè)計(jì)成為節(jié)約成本的關(guān)鍵，由于產(chǎn)品所用軸承是一對一的關(guān)系，而高速軸承不同，必須考慮通用性，從而其設(shè)計(jì)思路存在區(qū)別。而且必須保證同一瓦徑的軸承必須滿足多種產(chǎn)品的需要。

2 目標(biāo)的確定

基于沈鼓集團(tuán)生產(chǎn)制造透平壓縮機(jī)幾十年的經(jīng)驗(yàn)，通過借鑒國際先進(jìn)的壓縮機(jī)制造商經(jīng)驗(yàn)（美國GE公司、德國西門子公司），以企業(yè)引進(jìn)20t高速動平衡機(jī)為切入點(diǎn)，確保設(shè)計(jì)方案具有高實(shí)用性、易互換性、低成本及高安全性的基礎(chǔ)上研制、制造出一系列通用的高速動平衡軸承。

3 軸承的特點(diǎn)和工作原理

本次設(shè)計(jì)的軸承包含可傾軸承和橢圓軸承兩大類。依據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際工作，針對半年內(nèi)所生產(chǎn)的近200根轉(zhuǎn)子高速動平衡情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與跟蹤。最終制定設(shè)計(jì)方案為15種規(guī)格的軸承，共26套圖紙，其中17套橢圓軸承，9套可傾軸承。包 含 φ325，φ320、φ300、φ225、φ160、φ200、φ240、φ280、φ170、φ160、φ150、φ140、φ125、φ120、φ100共15種規(guī)格(其數(shù)字代表瓦塊推力面內(nèi)徑，即軸端直徑)。

軸承是用于精密機(jī)械的重要零件之一，其使用方式、方法非常嚴(yán)格。即使是使用高質(zhì)量的軸承，如果使用不當(dāng)，都不能達(dá)到預(yù)期的效果。要想充分發(fā)揮軸承的功能，就必須保證其與主軸的尺寸配合。為起到節(jié)約成本的目的，同時(shí)要保證同一直徑的瓦徑要滿足不同產(chǎn)品的需要?？蓛A軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：推力軸承是層疊式自動平衡推力的軸承，是由若干個(gè)止推塊組成，本文由五個(gè)止推塊組成，相當(dāng)于三層零件疊放在基環(huán)上，止推塊與水準(zhǔn)塊之間通過球面支點(diǎn)接觸。其工作原理：當(dāng)各個(gè)止推塊載荷不同時(shí)，就會引起軸承的不平衡，因止推塊受力不均就要偏轉(zhuǎn)，此時(shí)可通過上、下搭接的墊塊，自動調(diào)節(jié)每個(gè)止推塊上的載荷，直到每個(gè)止推塊上的載荷相同，軸承重新建立平衡狀態(tài)為止。即在轉(zhuǎn)軸有較大的撓度及支點(diǎn)轉(zhuǎn)角的情況下，各瓦塊位置能隨之平衡而產(chǎn)生均勻的油膜壓力。潤滑油自承載盤底部槽口進(jìn)入軸承內(nèi)腔，通過瓦塊間的空隙和止推盤旋轉(zhuǎn)帶入止推瓦塊承壓面，并由離心力將油帶至外圓周，再經(jīng)控油環(huán)上部的排油孔流到軸承體外排出。

4 軸承設(shè)計(jì)方案（項(xiàng)目實(shí)施）

1）首先對新引進(jìn)的20t高速動平衡機(jī)進(jìn)行研究，通過現(xiàn)場考查兩種擺架DH6/DH70的結(jié)構(gòu)，確定出擺架的技術(shù)參數(shù)。

（1）DH70擺架主要技術(shù)參數(shù)

最大轉(zhuǎn)子直徑 2800mm 最高允許平衡及超轉(zhuǎn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速10000rpm

（2）DH60擺架主要技術(shù)參數(shù)

最大轉(zhuǎn)子直徑 2800mm 最高允許平衡及超轉(zhuǎn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速15000rpm

（3）平衡機(jī)的最大油壓為280bar

2）軸承設(shè)計(jì)依據(jù)

高速動平衡機(jī)對軸承的要求是：安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、抗震性好、使用壽命長。軸承系列化設(shè)計(jì)的依據(jù)和規(guī)格分布，對尺寸規(guī)范、瓦塊接觸應(yīng)力、潤滑方式、噴油嘴設(shè)計(jì)、軸承間隙、軸承承載能力等結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵問題做了詳盡分析。

（1）線速度的計(jì)算

V=πdn/60（1）式中， V為線速度，m/s；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分；d為軸承內(nèi)徑，mm；轉(zhuǎn)子應(yīng)用于此軸承時(shí)，線速度不要太大。

（2）比壓值的計(jì)算

p=（ 2）式中，p為比壓值 ；G-轉(zhuǎn)子重量，kg；d為軸承內(nèi)徑，mm；b為軸承體寬度，mm。

在設(shè)計(jì)軸承體寬度時(shí)要考慮比壓值P的范圍 。

（3）承載值的計(jì)算

m=1-Cb/Cp（3）式中，Cp：瓦塊間隙=Rp-Rs；Cb：軸承間隙=Rb-Rs；Rs：軸半徑；Rp：加工半徑；Rb：軸承安裝半徑。通過承載值的計(jì)算可確定加工尺寸和裝配尺寸公差。

（4）寬徑比的確定

通過考察平衡機(jī)擺架的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定軸承的寬徑比為0.4為宜，即可確定軸承寬度。

3）軸承的設(shè)計(jì)

（1）首先考查DH6和DH70兩種擺架的結(jié)構(gòu)及與相關(guān)尺寸大小，確定出軸承體的外形尺寸大小。

（2）根據(jù)擺架的進(jìn)油位置，確定軸承體的進(jìn)油位置。

（3）查找相關(guān)產(chǎn)品圖紙確定出相同直徑轉(zhuǎn)子的重量范圍和轉(zhuǎn)速范圍，記錄出相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）、公式（2）、公式（3）計(jì)算出所需的各個(gè)參數(shù)值。

（4）軸承間隙值的確定

通過軸承內(nèi)徑確定軸承的側(cè)隙和頂隙，保證兩側(cè)間隙數(shù)值相等。軸承側(cè)隙加工過程中，需在中分面上墊紙加工，確保軸承加工工藝的合理性。

（5）橢圓軸承高壓頂油面積的計(jì)算

橢圓軸承

可傾瓦軸承

S=F/P(4)式中，s為高壓頂油面積，m2；F為承受轉(zhuǎn)子的重量，kg；p為頂起轉(zhuǎn)子所需的油壓，MPa。通過公式（4）計(jì)算出高壓頂油面積，從而可確定出圓角的大小及寬度。

根據(jù)以上的分析，計(jì)算和研究，作出橢圓軸承和可傾瓦軸承，結(jié)構(gòu)如圖所示。

5 設(shè)計(jì)效果應(yīng)用分析

通過車間現(xiàn)場多根轉(zhuǎn)子實(shí)際的高速動平衡的驗(yàn)證，同一軸徑軸承即可應(yīng)用于多種產(chǎn)品，又未出現(xiàn)由于軸承間隙值影響壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子平衡效果的現(xiàn)象，也未出現(xiàn)高壓頂油面積不合理而不能拖起轉(zhuǎn)子或引起油膜振動的想象。高速動平衡軸承最終滿足了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的使用要求，并達(dá)到了相同軸徑軸承的通用性，且避免了相同軸徑軸承重復(fù)設(shè)計(jì)的弊端，增加了使用的可靠性，通用性，從而以高質(zhì)量、高效率、低成本的加工和工裝設(shè)計(jì)方法來滿足產(chǎn)品的使用要求。

6 結(jié)論

高速動平衡軸承在壓縮機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性，從項(xiàng)目的提出到解決都得到了其他同事的幫助與支持。最終，為沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)轉(zhuǎn)子高速動平衡試驗(yàn)提供方便、快捷的手段，并在今后的大型壓縮機(jī)進(jìn)行此設(shè)計(jì)思路的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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[3]李志剛，張直明.不平衡質(zhì)量的大小和分布對柔性轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].振動與沖擊，1997(1).