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軸承知識

電機中的滾動軸承(一)

2020-07-20
  在電機中使用的滾動軸承的目的是:
  ◆支撐和定位轉子;
  ◆保持氣隙均勻;
  ◆從軸到電機機座傳遞載荷;
  ◆滾動軸承應能滿足高速和低速運行的要求;
  ◆最大限度地減小摩擦并節省能源。
  1、電機中的滾動軸承的設計要求
  尺寸
  絕大數情況下,輸出功率決定了軸的尺寸,軸的尺寸又決定了軸承的孔徑。現在的趨勢是為了獲得更緊湊設計而使用更小界面的軸承。
  載荷
  要給特定應用選擇最佳的軸承,必須考慮到所有的載荷。除零部件的重量外,還應考慮動力傳輸產生的力,比如:
  ◆由于氣隙不均勻而產生的磁拉力;
  ◆由于對中不準確而產生的外力;
  ◆動平衡問題帶來的外力;
  ◆齒輪嚙合誤差而產生的外力;
  ◆推力載荷。
  載荷可以是單純的徑向載荷或軸向載荷,也可以是二者都有。滾子軸承通常可以承受較重的載荷,而球軸承通常用于較輕的載荷。如N或NU結構的圓柱滾子軸承,一般只承受徑向載荷,而像角接觸球軸承,就更適合承受聯合載荷。電機中的球軸承和滾子軸承要得到可靠的運行,必須要有一個最小載荷,才能使設備運行更加可靠。這個最小載荷在產品手冊中提供。
  聯軸器、皮帶和齒輪傳動
  驅動和被驅動單元之間使用的連接器的類型對軸承載荷有直接影響。聯軸器傳動可分為柔性聯結和剛性聯結,無論是那種聯結,良好的對中都很重要,否則軸承系統可能會承受額外載荷,縮短軸承的使用壽命。對于3套軸承安裝在同一根軸上的剛性聯結,準確對中尤為重要。當剛性聯軸器精確對中時,如使用激光對中設備進行對中,驅動端軸承基本處于無載荷狀態,載荷由非驅動端軸承和聯軸器承受。在這種情況下,驅動端可使用深溝球軸承。皮帶或齒輪傳動一般比聯軸器傳動向電機軸承施加的載荷更大。因此,皮帶和齒輪傳動在驅動端最常使用圓柱滾子軸承。在有重載且可能存在不對中或軸撓曲的應用場合,可使用可調心的圓環滾子軸承。
  轉速
  電機工作中的轉速同時影響軸承和潤滑劑的壽命。因此在選擇軸承時必須要考慮軸承尺寸、保持架類型、潤滑劑、游隙和密封的類型。在異步電機中級數和電源頻率決定了轉速。如2級電機,當頻率為50Hz時,最高轉速是3000r/min,當頻率為60Hx時,最高轉速是3600r/min。如果設備在它的工作周期內以不同的轉速運行,在進行軸承尺寸設計和壽命計算時要考慮到所有的速度區別。在正常情況下,球軸承比滾子軸承更適用于高轉速應用。精密軸承和混合陶瓷球軸承更適用于超高轉速的應用場合。為了做出正確的選擇,有必要對設備的動態性能進行全面分析。軸承在高速運行時,影響軸承壽命的因素包括保持架、潤滑、運行精度和游隙、系統的共振頻率以及轉動部件的動平衡狀況等。
  溫度
  環境溫度范圍和設備的正常運行溫度對于正確選擇或設計電機很重要。電機中的軸承的正常運行溫度范圍為70~110℃。因此,推薦使用在較寬溫度范圍內有良好工作性能的潤滑脂。當環境溫度和軸承運行溫度溫差很大時,軸承上會有溫差產生。如果溫差很大,應檢查軸承內部游隙,以避免不必要的軸承預載荷。
  振動
  我們都期待電機能夠靜音運行,因此軸承及其保持架材料、潤滑劑和內部游隙的選擇是很重要的。雖然軸承的的噪聲水平已經比較低了,但是仍舊可以通過使用彈簧對軸承預緊進一步降低噪聲水平。合適的軸、機殼、端蓋尺寸和形位公差有助于降低軸承對中誤差,可以進一步降低噪音水平。當設備處于有外源性振動的環境中時,通常建議盡可能地使用球軸承特別是通過彈簧施加預載荷的球軸承,不容易受到外源性振動的影響,導致損壞。
  環境
  在潮濕和多塵的環境中要使用密封件和防塵蓋來保護軸承。在不易接近地區使用的電機可能也需要密封件和防塵蓋,從而實現低維護或者免維護。密封件和防塵蓋的類型將確定軸承的維護需求和使用壽命。
  軸承壽命要求
  滾動軸承的壽命是指,在內圈或外圈滾道或滾動體首次出現金屬疲勞(剝落)跡象之前,軸承以指定速度運行所能夠達到的旋轉次數或工作小時數。基于定義的額定壽命必須滿足軸承應用所需的壽命期望值。在特定應用中,觀察到的軸承壽命在很大程度上取決于運行條件。電機軸承失效的原因可能有以下幾個方面:
  ◆電腐蝕等的電器問題;
  ◆軸或軸承座配合不當、不對中、安裝不當引起的機械誤差;
  ◆密封系統選擇不當或密封件磨損或損壞造成的污染物侵入,導致磨料磨損;
  ◆不可預見的載荷條件,如動平衡問題導致載荷過大,或載荷過輕導致滾動體打滑;
  ◆潤滑脂選擇不當、潤滑脂填裝量不當、運行溫度過高或過低造成的潤滑不良及潤滑條件差造成的腐蝕。
  電機制造商通常根據假定載荷和速度數據確定軸承壽命,如最大允許載荷下的名義壽命為最低20000小時。在特殊允許條件下特別是載荷較輕的情況下,軸承的壽命要比傳統壽命計算方法預期的要長。尤其是當潤滑油膜能有效地分隔滾動面(滾道和滾動體),污染物造成的表面損傷很有限時,就能實現上述情況。在有沖擊載荷或明顯的峰值載荷的情況下,應對靜態安全系數進行評估。
  維護
  電機的維護通常包括軸承潤滑、定子繞組(如有要求)維修和電機性能監測。配備密封及終身潤滑軸承的電機,無需補充潤滑,因此電機被視為是免維護的,在這種情況下,最主要的是應考慮軸承的潤滑脂壽命。
  精度要求
  機器的精度決定了軸承的精度要求。高精度軸承使用在高精度或高轉速的設備上。但是要使設備從軸承的運行精度中受益,軸、軸承座和支撐面(軸與軸承的結合面以及軸承座的擋肩等)的精度應該與所用軸承的精度相匹配。軸承與軸和軸承座之間的幾何公差見下表。

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2020.01.20

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