壓縮機高速動平衡軸承的創新設計

郝春娜，丁建陽，翟慎宇

沈陽鼓風機集團工藝部，遼寧沈陽 110869

0 引言

動平衡技術是指旋轉機械在與其工作狀態相同或相近的轉速、安裝條件、支承條件和負載情況下，對其進行振動測量或平衡校正的一種平衡方法。經過大量實踐數據證明，50%以上的機械振動可以歸結為“不平衡”造成的。因此，成功地消除或減小轉子不平衡量是降低機械振動的主要手段。壓縮機高速軸承是壓縮機轉子做高速動平衡實驗必不可少的零件之一，軸承設計的合理性直接影響著轉子高速動平衡的精度，進而影響整臺壓縮機機組的運轉工況。因此，高速動平衡軸承的研制不僅是技術上的要求，也是經濟效益的需要。

1 軸承設計的必要性（問題的提出）

隨著集團經營規模的不斷擴展，市場逐漸的大型化，新產品的不斷研發，如何保證透平壓縮機轉子的不平衡量在一個合理范圍數值內成為技術關鍵。轉子的不平衡是所有同行業生產過程中的常見問題，也是誘發轉子系統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技術時代的變更已經滿足不了產品大型化的發展變化。又由于轉子的重量、平衡精度、轉子的轉速不同，轉子的支撐端軸徑也在相應的變化。因此，一系列軸徑軸承的設計成為節約成本的關鍵，由于產品所用軸承是一對一的關系，而高速軸承不同，必須考慮通用性，從而其設計思路存在區別。而且必須保證同一瓦徑的軸承必須滿足多種產品的需要。

2 目標的確定

基于沈鼓集團生產制造透平壓縮機幾十年的經驗，通過借鑒國際先進的壓縮機制造商經驗（美國GE公司、德國西門子公司），以企業引進20t高速動平衡機為切入點，確保設計方案具有高實用性、易互換性、低成本及高安全性的基礎上研制、制造出一系列通用的高速動平衡軸承。

3 軸承的特點和工作原理

本次設計的軸承包含可傾軸承和橢圓軸承兩大類。依據現有的實際工作，針對半年內所生產的近200根轉子高速動平衡情況進行數據分析與跟蹤。最終制定設計方案為15種規格的軸承，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種規格(其數字代表瓦塊推力面內徑，即軸端直徑)。

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

4 軸承設計方案（項目實施）

1）首先對新引進的20t高速動平衡機進行研究，通過現場考查兩種擺架DH6/DH70的結構，確定出擺架的技術參數。

（1）DH70擺架主要技術參數

最大轉子直徑 2800mm 最高允許平衡及超轉試驗轉速10000rpm

（2）DH60擺架主要技術參數

最大轉子直徑 2800mm 最高允許平衡及超轉試驗轉速15000rpm

（3）平衡機的最大油壓為280bar

2）軸承設計依據

高速動平衡機對軸承的要求是：安全可靠、運行穩定、抗震性好、使用壽命長。軸承系列化設計的依據和規格分布，對尺寸規范、瓦塊接觸應力、潤滑方式、噴油嘴設計、軸承間隙、軸承承載能力等結構上的關鍵問題做了詳盡分析。

（1）線速度的計算

V=πdn/60（1）式中， V為線速度，m/s；n為轉子轉速，轉/分；d為軸承內徑，mm；轉子應用于此軸承時，線速度不要太大。

（2）比壓值的計算

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

在設計軸承體寬度時要考慮比壓值P的范圍 。

（3）承載值的計算

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

通過考察平衡機擺架的結構，并結合軸承的結構特點確定軸承的寬徑比為0.4為宜，即可確定軸承寬度。

3）軸承的設計

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

（2）根據擺架的進油位置，確定軸承體的進油位置。

（3）查找相關產品圖紙確定出相同直徑轉子的重量范圍和轉速范圍，記錄出相關數據，根據公式（1）、公式（2）、公式（3）計算出所需的各個參數值。

（4）軸承間隙值的確定

通過軸承內徑確定軸承的側隙和頂隙，保證兩側間隙數值相等。軸承側隙加工過程中，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為承受轉子的重量，kg；p為頂起轉子所需的油壓，MPa。通過公式（4）計算出高壓頂油面積，從而可確定出圓角的大小及寬度。

根據以上的分析，計算和研究，作出橢圓軸承和可傾瓦軸承，結構如圖所示。

5 設計效果應用分析

通過車間現場多根轉子實際的高速動平衡的驗證，同一軸徑軸承即可應用于多種產品，又未出現由于軸承間隙值影響壓縮機轉子平衡效果的現象，也未出現高壓頂油面積不合理而不能拖起轉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轉子的使用要求，并達到了相同軸徑軸承的通用性，且避免了相同軸徑軸承重復設計的弊端，增加了使用的可靠性，通用性，從而以高質量、高效率、低成本的加工和工裝設計方法來滿足產品的使用要求。

6 結論

高速動平衡軸承在壓縮機技術中的應用，驗證了創新設計方法的正確性和可行性，從項目的提出到解決都得到了其他同事的幫助與支持。最終，為沈陽鼓風機集團轉子高速動平衡試驗提供方便、快捷的手段，并在今后的大型壓縮機進行此設計思路的進一步推廣應用。

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