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轴承预载荷讲解

火币pro官网下载 2022年10月08日 07:38 126 Connor

轴预载荷是广泛适用于所有旋转机器的一类潜在故障，作用在旋转机械系统上的各种类型的单向力的存在是机械的正常和预期的特性，正如残余不平衡、转子弯曲和部件偏心是旋转部件装配固有的问题一样，轴预载荷的存在是装配机械设备中不可避免的一部分。

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- 两类轴预载荷 -

从最初的分类观点来看，轴预载荷可分为两大类，第一类针对机器内部产生的预加载，这些内部预载荷可能是由于一个或多个下列常见机制导致：

重力预载荷

轴承预载荷

内部不对中预载荷

齿轮啮合力

流体预载荷

水平转子的重力预载荷是之前讨论的转子弯弓或下垂的原因，同样，这是过程机器的正常和不可避免的特性的一部分，通常不是设计可纠正的问题。它是一种物理现象，必须总是针对机器的具体情况进行考虑和处理。

轴承预载荷是机械设计的考虑因素之一。轴承预载荷通常表示为0到1之间的无量纲数，轴承预载荷为0表示轴上没有轴承负荷，反之，轴承预载荷1表示轴与轴瓦接触（即最大预载荷1）。轴承预载荷的计算基于轴与各轴瓦的曲率差。如下式，轴承预紧力定义为：

式中Cb为轴承间隙，等于轴承半径减去轴颈半径。瓦垫间隙Cp等于瓦垫半径减去轴颈的半径。在分段式轴承上，经常发现垫块半径大于轴承半径，因此，垫块间隙Cp大于轴承间隙Cb，且两者比值小于1，由上式可知，轴承预载荷也必须小于1。通常，轴承设计者会使用0.1到0.4之间的预载荷。

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在瓦块中心的间隙减少迫使油收敛为一个油楔，轴承的运行特性，刚度、阻尼和偏心位置将随预载荷和实际轴承构型的变化而变化。显然，固定瓦垫轴承如椭圆轴承的特点将不同于五可倾瓦垫轴承，然而，任何情况下，将会形成一个油楔，该油楔板将有一个伴生的压力轮廓，该压力轮廓对轴颈的直接作用是一个预载荷。同样，这是旋转机器的正常行为，但通过改变瓦垫半径和轴承几何形状，预载荷的量，以及相关的轴颈力是可调的（在有限范围内）。

第三种类型的机器内部预载荷归因于元件的内部不对中。这可能呈现不同的形式，从偏移或翘起的密封或轴承，到扭曲的隔膜或定子，到各种摩擦情况，几乎不可能数清所有可能的内部机器元件不对中组合，然而，它们都有的共同特点，是对轴产生一个负载或力。其中一些预载荷在正常运行时可能会自动卸载，例如，在机器初始启动时可能发生迷宫密封摩擦，而轴与密封间隙扩大后可能永远不会再摩擦。另一些预载荷，例如一个扭曲的定子，通常会保持不变，并持续在转子上产生一个力。

第四种内部预载荷与齿轮啮合力有关，这是必须始终考虑的重要负载。为了说明齿轮接触力的大小，计算举例说明，一个简单的小齿轮-大齿轮装置，传输负载4,000马力，小齿轮转速5,900RPM，大齿轮转速1,920RPM转。该齿轮箱的主要元件重量和力的计算总结如下：

小齿轮重量 ............220 磅

大齿轮重量 ..........1,630 磅

分离力..................4,550 磅

切向力................10,880 磅

从这个总结来看，很明显在齿轮箱内主要的力是齿轮接触力，分离和切向力的大小使齿轮重量成为次要影响的作用。这些齿轮力用于产生齿轮箱的轴承系数，并初步估计轴颈运行的位置。重要的是在齿轮箱对中期间考虑轴颈运行位置，并认识到大齿轮和小齿轮轴承受到明显的来自齿轮的径向预载荷。

第五种类型，流体预载荷适用于许多类型的旋转机械。例如，蜗壳离心泵的不平衡径向力很明显是流体力直接作用在转子上。流体力的一个不太明显的例子是多级和多段透平在启动过程中的行为，据记载，当第一喷嘴段位于透平机壳体的下半部分时，部分蒸汽进入第一级喷嘴可能会对转子产生升力，这种径向力可能足以抬起转子，并带来调速器端轴承不稳定。因此，垂直方向轴预载荷将不利于稳定的重力，使机器进入另一种类型的故障。在所有情况下，振动分析师必须知道这些类型的物理交互作用，必须努力理解和解决观察到的振动运动背后的基本的力的作用。

轴预载荷的第二大类涉及潜在的外部预载荷或力的系列问题。例如，以下短清单区别了一些常见的外部轴或机械预载荷：

联轴器不对中

联轴器锁死

热或外部力

在大多数类型的旋转机器中，联轴器不对中的问题是很常见的，幸运的是，机械领域已经投入了相当多的时间和精力来开发进行轴对中校正的解决方案和技术。事实上，许多工厂已经应用这些工具和技术发展了非常成功的机械对中程序，在这些工厂中，不对中已经不再是一个问题。然而，当机器之间存在不对中，轴的预载荷可能是很大的，并可能导致过早的机械故障。

与轴不对中有关的一个机制是联轴器锁死问题，这主要发生在油润滑齿式联轴器上。由于这类联轴器是设计为有不对中容差的柔性部件，因此锁死的联轴器齿的不正常状态将破坏柔性设计的预期性能。锁定联轴器的行为可能类似于不对中的联轴器。在很多情况下，联轴器是锁定是由于过度不对中，在其他情况下，联轴器锁死可能是在运行期间由于齿间淤积污泥而产生的。在任何一种情况下，在两个机械轴上的产生的力都是不受欢迎的预载荷，可能会损坏锁定联轴器任何一侧的机械部件。

第三类外部预载荷与机器上存在的任何数量的潜在外力或力矩有关。这种预载荷可能是由于退化的灌浆或地基所施加到基板的应变。外部预载荷也可能来自作用在机器上的管道应力，例如，某案例中管道力矩对空压机和耦合的驱动透平产生影响。外部预载荷可能会影响联轴器对中，或扭曲轴承座、外壳或其他机械附件。

从本质上讲，轴预载荷是旋转设备中必须面对的一个正常部分，认识到预载荷具有不同的严重级别是很有用的。例如，一些预载荷，如重力或基于流体的力量可以分类为软预载荷，一般是非破坏性的，另一些预载荷，例如偏心或齿轮接触力，可以被认为是硬预载荷，可能会损坏机器。轴预载荷的第三个严重性分类是破坏稳定性，这种类型的预载荷可能对抗正常的转子或轴承的力，其作用使转子不稳定。这些破坏稳定的预载荷的严重性也可能从软到硬而不同，取决于对过程设备的最终影响。

- 轴预载荷识别 -

预载荷检测是基于对径向振动异常的识别，以下三个特征用于确定是否存在径向轴预载荷：

正常轨迹运动

异常轴中心位置

异常轴对壳体运动

增加的径向轴承载荷产生的轴心轨迹的变化

上图展示了异常轴心轨迹运动，描绘了具有不同径向预载荷水平的四个轴心轨迹。图A的轨迹显示正常的正进动圆模式，没有轴预载荷；在图B中对轴施加轻微的预载荷，使轴运动呈椭圆形；图C的中度预载荷将轨迹变成了香蕉形状；最后，在图D中显示的重预载荷情况下，结果呈现8字形轨迹。这种分析非常适合有滑动轴承，并且安装接近式涡流探头的机器。在绝大多数情况下，预载荷的方向与轴心轨迹的主轴垂直，预载荷的严重程度与轨迹的椭圆度有关。

这里要注意，振动分析师不应该混淆预载荷轨迹和正常椭圆形轨迹，轴承刚度在垂直和水平之间有显著差异的机器将自然地显示一个椭圆轨迹。这种类型的轴心轨迹严格地说是轴承几何尺寸的函数，必须被视为正常和适当的行为。

椭圆轴承中正常和异常的轴中心线位置比较

例如，上图是椭圆轴承的示意图，轴逆时针旋转，注意到在右下象限的适当运行位置产生的正常椭圆轴心轨迹，图中还描绘了另一个椭圆轨迹位于左下象限，作为一个逆时针旋转的机器，第二个轨迹显然是发生在错误的地方。这种不适当的径向位置是检测轴预载荷的第二种方法，即计算出的轴颈中心线位置应在轴承间隙内的适当位置；如果轴中心线处于异常位置，则应怀疑轴承损坏的可能性，或存在径向预载荷。

- 注意事项 -

在这种类型的评估中，应该增加三个注意事项。首先，振动分析师在试图对任何现场数据进行判断之前，必须知道轴颈在特定轴承内的正确运行位置，例如，一个五瓦垫可倾瓦轴承将呈现一个垂直的姿态角，这种类型的轴承的正常位置相当不同于椭圆轴承。如果不知道偏心位置和姿态角，那么诊断专家应该考虑对具体轴承结构做FEA分析。

其次，振动分析师必须使用正确校准的涡流探头系统来测量轴承内轴颈的真实运行位置，这包括精确的探头灵敏度和正确的探头方位图。在某些情况下，可能需要安装四个90度的径向涡流探头，在这种应用中，将直径相对的探头相加以确定每个正交方向上的平均轴位置。虽然工作量较大，但确实提高了径向位置测量的精度。

第三，必须准确地知道涡流探头DC间隙电压的初始值，以便可靠地计算轴的中心线位置。很难概括获得停机间隙电压的精确条件，通常，这些数据是在启动前有热油循环时获得的。为了安全起见，建议使用基于计算机的系统跟踪DC电压，该系统将识别时间、速度和其他有用的信息，如供油温度、环境温度等。

最后，在有易接近的轴承座的机器上，最好获得X-Y壳体振动响应测量。壳振探头应放置在与涡流探头相同的角度方向上，此外，壳振探头的位置应尽可能接近涡流探头的安装点。壳振数据必须积分成位移，并将1X同步矢量与轴跳补偿过的轴位移1X矢量直接比较。一般情况下，壳体运动小于轴振动，壳振相位角滞后于轴振动相位。

对于具有径向预载荷和柔性支承的机器，轴的振动可能被抑制，这种情况下，轴承内的正常轴振动传递到壳体和周围结构。从测量的角度来看，壳体1X振动幅值可能会超过轴的运动，轴与壳体的相位关系可能会出现异常。这个最后的标准不是一个完全结论性的测试，但它确实提供了机器动力学的额外洞察。

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