廣州地鐵VV120型空壓機(jī)曲軸軸承壽命評估

陳 飛，邱華新

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州430070）

0 前言

隨著廣州地鐵近年來的不斷發(fā)展，在軌運(yùn)營車輛的類型及數(shù)量也逐漸增多，截止到2018年達(dá)到2000多輛。同時，車輛維修量也逐漸增加，特別是部分運(yùn)行時間超過10年的車輛陸續(xù)進(jìn)入大修或更高一級的維修修程，使車輛部件維修需求越來越大。由于目前對車輛運(yùn)營安全的要求越來越高，故對車輛維修的深度和廣度也提出了更加嚴(yán)格的要求。

目前，絕大部分的廣州地鐵車輛采用的是VV120型空壓機(jī)。該型空壓機(jī)為德國克諾爾公司設(shè)計制造的一款活塞式空壓機(jī)。空壓機(jī)作為地鐵車輛的一個重要部件，主要作用是為車輛提供氣源，供各用氣系統(tǒng)使用。具體過程是空壓機(jī)將壓縮后的空氣通過風(fēng)管輸送到車門、受電弓、車鉤和空氣制動系統(tǒng)等各個用氣系統(tǒng)部件，從而使其完成一系列行車動作，例如開關(guān)門、升降弓、解鉤和制動等。由于VV120型空壓機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前廣州地鐵對該型空壓機(jī)的自主維修均以生產(chǎn)廠家克諾爾提供的維修手冊為依據(jù)進(jìn)行維修。通過多年空壓機(jī)維修經(jīng)驗積累，發(fā)現(xiàn)維修手冊提供的維修周期過于保守，很多部件到達(dá)維修手冊規(guī)定的維修周期時，狀態(tài)仍然良好，若空壓機(jī)的所有部件均按維修手冊要求的周期進(jìn)行維修，則會造成過度維修，造成資源的浪費(fèi)。因此，本文以空壓機(jī)重要部件曲軸軸承為例，對其進(jìn)行壽命評估，從而較為準(zhǔn)確地確定軸承的維修周期，降低維修成本。

本文以廣州地鐵VV120型空壓機(jī)壓縮機(jī)為研究對象，通過對壓縮機(jī)進(jìn)行受力分析，進(jìn)而對壓縮機(jī)曲軸軸承進(jìn)行壽命計算，同時對軸承狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場評估，從而對軸承壽命進(jìn)行評估，為軸承維修周期的確定提供依據(jù)。

1 壓縮機(jī)受力分析

空壓機(jī)壓縮機(jī)主要由活塞、連桿和曲軸組成，各部件的運(yùn)動關(guān)系可簡化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動關(guān)系如圖1所示。壓縮機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力主要有三種[1]：（1）氣體壓力；（2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力；（3）接觸表面相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力。由于壓縮機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計制造時，已對曲軸進(jìn)行平衡處理，配置平衡配重，如圖2所示，同時對整個機(jī)構(gòu)進(jìn)行動平衡試驗，因此不平衡慣性力很小，在進(jìn)行軸承受力計算時可以忽略不計。曲柄連桿機(jī)構(gòu)所受的摩擦力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化而變化，且較為復(fù)雜。考慮到壓縮機(jī)內(nèi)潤滑狀態(tài)良好，且摩擦力較氣體壓力要微小很多，因此在進(jìn)行軸承受力計算時為了簡化計算忽略了摩擦力的影響。

圖1 壓縮機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)

圖2 壓縮機(jī)曲軸

由上述分析可知，在進(jìn)行軸承壽命計算時，只需考慮氣體壓力即可。由試驗測得，在工作時，空壓機(jī)高壓缸的壓力范圍為600~1 100 kPa，低壓缸的壓力小于等于260 kPa。作用于活塞上的氣體力F為活塞兩側(cè)氣體壓力差與活塞上表面面積的乘積，如式（1）所示。

式中：Pg表示氣缸中的氣體壓力；Px表示曲軸箱中的氣體壓力，取為大氣壓；A為活塞上表面面積。

測得高壓缸活塞直徑為75 mm，低壓缸活塞直徑為95 mm，則高、低壓活塞上表面面積分別為4.418× 10-3mm2，7.088× 10-3mm2。將氣體壓力和活塞上表面面積代入式（1）計算得，作用于高壓缸活塞的氣體力F1為2 209 N~4 418 N，作用于低壓缸活塞的氣體力F2為1 134.08 N，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓縮機(jī)活塞參數(shù)數(shù)值表

2 曲軸軸承壽命計算

廣州地鐵VV120型空壓機(jī)壓縮機(jī)曲軸軸承是軸承代號為6309的深溝球軸承。查閱《機(jī)械設(shè)計》[2]知軸承壽命表達(dá)式如式（2）。

式中：Lh表示以小時數(shù)表示的軸承壽命；n表示軸承轉(zhuǎn)速，為1 450 r/min；C表示軸承基本額定動載荷；P表示軸承當(dāng)量動載荷。

軸承當(dāng)量動載荷P可由式（3）表示，式中fp為載荷系數(shù)，X、Y分別為徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)，F(xiàn)a、Fr分別為軸向載荷和徑向載荷。

為了計算出軸承的壽命，需對軸承進(jìn)行受力分析。下面對壓縮機(jī)曲軸軸承進(jìn)行受力分析，進(jìn)而計算軸承壽命。

VV120型空壓機(jī)壓縮機(jī)有一個高壓缸和兩個低壓缸，高壓缸軸線與兩低壓缸軸線的夾角均為60°，兩低壓缸軸線的夾角為120°。壓縮機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)與軸承的受力如圖3所示，F(xiàn)1、F21和F22分別表示高低壓缸活塞的氣體力，F(xiàn)r1和Fr2表示兩軸承所受的徑向載荷。為了計算出軸承的最小壽命，F(xiàn)1、F21和F22均取最大值。經(jīng)力的平衡計算得Fr1=1 757.66 N，F(xiàn)r2=3 794.42 N。

圖3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)與軸承的受力

由式（3）計算兩曲軸軸承的當(dāng)量動載荷P。由于空壓機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，載荷性質(zhì)為無沖擊或輕微沖擊，故fp取1.0。由于兩軸承均只受徑向力，故X=1，Y=0。由式（3）計算得兩軸承的當(dāng)量動載荷分別為P1=1 757.66 N，P2=3 794.42 N。因為 P2＞ P1，所以按軸承2的受力大小驗算軸承壽命。將P2代入式（2）得查看《機(jī)械設(shè)計手冊》[3]和《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》[4]知6309軸承的基本額定動載荷C為 52.8 kN，ε 為 3，則

查看空壓機(jī)維修手冊知，空壓機(jī)大修期為每運(yùn)轉(zhuǎn)12 000 h進(jìn)行大修，或以每年運(yùn)行18萬公里計，最遲8年進(jìn)行大修。根據(jù)維修手冊的指導(dǎo)，目前廣州地鐵車輛空壓機(jī)的大修期為每運(yùn)行10年或每運(yùn)行120萬公里進(jìn)行大修。

由上述計算知，根據(jù)實際載荷計算出的曲軸軸承最小壽命為30 970 h，遠(yuǎn)大于空壓機(jī)的大修時間12 000 h，且滿足第二次大修的使用時間要求。

3 曲軸軸承現(xiàn)場評估

為了進(jìn)一步驗證曲軸軸承的壽命，將運(yùn)行10年后大修更換下來的軸承舊件與軸承新件進(jìn)行對比分析。大修更換下來的軸承舊件與軸承新件如圖4所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，軸承舊件狀態(tài)良好，轉(zhuǎn)動正常，無卡滯情況，也未出現(xiàn)疲勞點蝕、塑性變形、磨損與膠合等軸承失效情況，僅在軸承內(nèi)圈出現(xiàn)擦痕，如圖4圈處所示。這是軸承轉(zhuǎn)動過程中與軸承擋圈摩擦造成的，但并未造成軸承表面擦傷。

圖4 大修更換下來的曲軸軸承舊件與軸承新件對比

通過上述對曲軸軸承進(jìn)行壽命計算，以及對10年大修更換的軸承舊件進(jìn)行評估，得出運(yùn)行10年后的曲軸軸承狀態(tài)良好，未出現(xiàn)失效情況，且軸承在一個大修期運(yùn)轉(zhuǎn)的時間遠(yuǎn)小于根據(jù)實際載荷計算出的軸承壽命。因此，擬建議空壓機(jī)第一次大修時不更換曲軸軸承。

4 結(jié)論

本文以廣州地鐵VV120型空壓機(jī)壓縮機(jī)為研究對象，通過對壓縮機(jī)進(jìn)行受力分析，對壓縮機(jī)曲軸軸承進(jìn)行壽命計算，同時對軸承狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場評估，完成了對軸承壽命的評估，得出如下結(jié)論：

相較于此前憑借維修手冊和維修經(jīng)驗判斷空壓機(jī)曲軸軸承的壽命，本文在維修手冊和維修經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，引入理論計算來評估空壓機(jī)曲軸軸承的最小壽命，評估結(jié)果更具客觀性。

運(yùn)行10年的廣州地鐵VV120型空壓機(jī)曲軸軸承狀態(tài)良好，未出現(xiàn)失效情況，且根據(jù)實際載荷計算出的軸承壽命滿足兩次大修期24 000 h的使用要求。因此，擬建議空壓機(jī)在第一次大修時不更換曲軸軸承，到第二次大修時再進(jìn)行更換。不過，最終的結(jié)論需后續(xù)進(jìn)一步通過曲軸軸承實際使用情況確定。