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轴承知识

电机中的滚动轴承(一)

2020-07-20
  在电机中使用的滚动轴承的目的是:
  ◆支撑和定位转子;
  ◆保持气隙均匀;
  ◆从轴到电机机座传递载荷;
  ◆滚动轴承应能满足高速和低速运行的要求;
  ◆最大限度地减小摩擦并节省能源。
  1、电机中的滚动轴承的设计要求
  尺寸
  绝大数情况下,输出功率决定了轴的尺寸,轴的尺寸又决定了轴承的孔径。现在的趋势是为了获得更紧凑设计而使用更小界面的轴承。
  载荷
  要给特定应用选择最佳的轴承,必须考虑到所有的载荷。除零部件的重量外,还应考虑动力传输产生的力,比如:
  ◆由于气隙不均匀而产生的磁拉力;
  ◆由于对中不准确而产生的外力;
  ◆动平衡问题带来的外力;
  ◆齿轮啮合误差而产生的外力;
  ◆推力载荷。
  载荷可以是单纯的径向载荷或轴向载荷,也可以是二者都有。滚子轴承通常可以承受较重的载荷,而球轴承通常用于较轻的载荷。如N或NU结构的圆柱滚子轴承,一般只承受径向载荷,而像角接触球轴承,就更适合承受联合载荷。电机中的球轴承和滚子轴承要得到可靠的运行,必须要有一个最小载荷,才能使设备运行更加可靠。这个最小载荷在产品手册中提供。
  联轴器、皮带和齿轮传动
  驱动和被驱动单元之间使用的连接器的类型对轴承载荷有直接影响。联轴器传动可分为柔性联结和刚性联结,无论是那种联结,良好的对中都很重要,否则轴承系统可能会承受额外载荷,缩短轴承的使用寿命。对于3套轴承安装在同一根轴上的刚性联结,准确对中尤为重要。当刚性联轴器精确对中时,如使用激光对中设备进行对中,驱动端轴承基本处于无载荷状态,载荷由非驱动端轴承和联轴器承受。在这种情况下,驱动端可使用深沟球轴承。皮带或齿轮传动一般比联轴器传动向电机轴承施加的载荷更大。因此,皮带和齿轮传动在驱动端最常使用圆柱滚子轴承。在有重载且可能存在不对中或轴挠曲的应用场合,可使用可调心的圆环滚子轴承。
  转速
  电机工作中的转速同时影响轴承和润滑剂的寿命。因此在选择轴承时必须要考虑轴承尺寸、保持架类型、润滑剂、游隙和密封的类型。在异步电机中级数和电源频率决定了转速。如2级电机,当频率为50Hz时,最高转速是3000r/min,当频率为60Hx时,最高转速是3600r/min。如果设备在它的工作周期内以不同的转速运行,在进行轴承尺寸设计和寿命计算时要考虑到所有的速度区别。在正常情况下,球轴承比滚子轴承更适用于高转速应用。精密轴承和混合陶瓷球轴承更适用于超高转速的应用场合。为了做出正确的选择,有必要对设备的动态性能进行全面分析。轴承在高速运行时,影响轴承寿命的因素包括保持架、润滑、运行精度和游隙、系统的共振频率以及转动部件的动平衡状况等。
  温度
  环境温度范围和设备的正常运行温度对于正确选择或设计电机很重要。电机中的轴承的正常运行温度范围为70~110℃。因此,推荐使用在较宽温度范围内有良好工作性能的润滑脂。当环境温度和轴承运行温度温差很大时,轴承上会有温差产生。如果温差很大,应检查轴承内部游隙,以避免不必要的轴承预载荷。
  振动
  我们都期待电机能够静音运行,因此轴承及其保持架材料、润滑剂和内部游隙的选择是很重要的。虽然轴承的的噪声水平已经比较低了,但是仍旧可以通过使用弹簧对轴承预紧进一步降低噪声水平。合适的轴、机壳、端盖尺寸和形位公差有助于降低轴承对中误差,可以进一步降低噪音水平。当设备处于有外源性振动的环境中时,通常建议尽可能地使用球轴承特别是通过弹簧施加预载荷的球轴承,不容易受到外源性振动的影响,导致损坏。
  环境
  在潮湿和多尘的环境中要使用密封件和防尘盖来保护轴承。在不易接近地区使用的电机可能也需要密封件和防尘盖,从而实现低维护或者免维护。密封件和防尘盖的类型将确定轴承的维护需求和使用寿命。
  轴承寿命要求
  滚动轴承的寿命是指,在内圈或外圈滚道或滚动体首次出现金属疲劳(剥落)迹象之前,轴承以指定速度运行所能够达到的旋转次数或工作小时数。基于定义的额定寿命必须满足轴承应用所需的寿命期望值。在特定应用中,观察到的轴承寿命在很大程度上取决于运行条件。电机轴承失效的原因可能有以下几个方面:
  ◆电腐蚀等的电器问题;
  ◆轴或轴承座配合不当、不对中、安装不当引起的机械误差;
  ◆密封系统选择不当或密封件磨损或损坏造成的污染物侵入,导致磨料磨损;
  ◆不可预见的载荷条件,如动平衡问题导致载荷过大,或载荷过轻导致滚动体打滑;
  ◆润滑脂选择不当、润滑脂填装量不当、运行温度过高或过低造成的润滑不良及润滑条件差造成的腐蚀。
  电机制造商通常根据假定载荷和速度数据确定轴承寿命,如最大允许载荷下的名义寿命为最低20000小时。在特殊允许条件下特别是载荷较轻的情况下,轴承的寿命要比传统寿命计算方法预期的要长。尤其是当润滑油膜能有效地分隔滚动面(滾道和滚动体),污染物造成的表面损伤很有限时,就能实现上述情况。在有冲击载荷或明显的峰值载荷的情况下,应对静态安全系数进行评估。
  维护
  电机的维护通常包括轴承润滑、定子绕组(如有要求)维修和电机性能监测。配备密封及终身润滑轴承的电机,无需补充润滑,因此电机被视为是免维护的,在这种情况下,最主要的是应考虑轴承的润滑脂寿命。
  精度要求
  机器的精度决定了轴承的精度要求。高精度轴承使用在高精度或高转速的设备上。但是要使设备从轴承的运行精度中受益,轴、轴承座和支撑面(轴与轴承的结合面以及轴承座的挡肩等)的精度应该与所用轴承的精度相匹配。轴承与轴和轴承座之间的几何公差见下表。

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2020.01.20

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