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斯坦福發(fā)電機軸承使用壽命的因素與應用 |
摘要：軸承是斯坦福無(wú)刷交流發(fā)電機最重要的部件之一。它旨在輔助定子內的轉子定位和旋轉，因此被視為關(guān)鍵部件之一，必須明確了解其功能行為。當然，最為重要的就是軸承的使用壽命及其相關(guān)影響因素。因此，本文審視了康明斯發(fā)電機（中國）技術(shù)公司旗下品牌斯坦福發(fā)電機在考慮采用潤滑脂潤滑滾動(dòng)元件的軸承使用壽命時(shí)加以考量的一些主要因素。
一、發(fā)電機軸承類(lèi)型
斯坦福交流發(fā)電機的應用領(lǐng)域可以大致劃分為工業(yè)和船舶兩大類(lèi)別。根據應用類(lèi)型及其環(huán)境，軸承可能承受不同類(lèi)型的負載、振動(dòng)、污染等，這些因素都會(huì )影響軸承的使用壽命。為能在運行參數中容納這些變量，我們提供了多種類(lèi)型的滾動(dòng)元件軸承：
1、深溝球軸承
（1） 開(kāi)式深溝球軸承
開(kāi)式深溝球軸承適用于發(fā)電機高轉速甚至極高轉速的運行，而且非常耐用，無(wú)需經(jīng)常維護，結構如圖1所示。該類(lèi)軸承摩擦系數小，極限轉速高，尺寸范圍與形式變化多樣。主要承受徑向負荷，也可承受一定量的軸向負荷。
（2）密封深溝球軸承
密封深溝球軸承(GB/T 276—2003)原名單列向心球軸承，是應用最廣泛的一種滾動(dòng)軸承。其特點(diǎn)是摩擦阻力小，轉速高，能用于承受徑向負荷或徑向和軸向同時(shí)作用的聯(lián)合負荷的機件上，也可用于承受軸向負荷的機件上。
（3）防蠕變深溝球軸承
外觀(guān)尺寸如圖2所示。通過(guò)軸承座內O型圈的張緊力，大幅提高了外圈抗蠕變性能。因與標準軸承的主要尺寸相同，所以不必對軸承座進(jìn)行再加工即可互換，保證了安裝的便捷性，為降低生產(chǎn)成本做出了貢獻。
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圖1 發(fā)電機開(kāi)式深溝球軸承結構圖 |
圖2 發(fā)電機防蠕變深溝球軸承尺寸圖 |
2、電絕緣軸承
電絕緣軸承分為深溝球軸承帶涂層軸承圈混合型和圓柱滾子軸承帶涂層軸承圈，發(fā)電機絕緣軸承安裝示例如圖3所示。
電絕緣軸承采用特種噴涂工藝，在軸承的外表面噴鍍優(yōu)質(zhì)覆膜，覆膜與基體結合力強，絕緣性能好，可避免感應電流對軸承的電蝕作用，防止電流對潤滑脂和滾動(dòng)體、滾道造成的損壞，提高軸承的使用壽命。該工藝不斷被改進(jìn)，絕緣軸承中，在外圈或內圈表面有一層100μm厚的涂層，可承受最高1000 V DC的電壓。特殊的噴涂工藝可形成一層厚度均勻、粘附力極強均勻的涂層，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，使其能不受濕氣和濕度的影響。
3、滾子軸承
（1）圓柱滾子軸承
圓柱滾子軸承的滾子通常由一個(gè)軸承套圈的兩個(gè)擋邊引導，保持架滾子和引導套圈組成一組合件，可與另一個(gè)軸承套圈分離，屬于可分離軸承。此種軸承安裝，拆卸比較方便，尤其是當要求內、外圈與軸、殼體都是過(guò)盈配合時(shí)更顯示優(yōu)點(diǎn)，安裝示例如圖4所示。此類(lèi)軸承一般只用于承受徑向載荷，只有內外圈均帶擋邊的單列軸承可承受較小的定常軸向載荷或較大的間歇軸向載荷。
（2）球面滾子軸承
該類(lèi)軸承裝有圓臺形滾子（大端為球面），滾子由滾道圈（軸圈、座圈）擋邊準確引導，設計上使得軸圈和座圈滾道面以及滾子滾動(dòng)面的各圓錐面的頂點(diǎn)相交于軸承中心線(xiàn)上的一點(diǎn)，單向軸承可承受單向軸向負荷，雙向軸承可承受雙向軸向負荷。
（3）Carb圓環(huán)滾子軸承
Carb圓環(huán)滾子軸承是一種全新的徑向滾子軸承。該軸承設計獨特，結合了球面滾子軸承的自調心能力與圓柱滾子軸承的無(wú)限制軸向位移能力。因此，在新軸承系統中的負荷只有外在的徑向和軸向力。它還可以具有較小的橫截面積，而通常滾針軸承才具備這一特征。
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圖3 發(fā)電機電絕緣軸承安裝圖 |
圖4 滾子軸承安裝圖 |
二、影響軸承使用壽命的因素
有多種因素可影響軸承的使用壽命，主要因素包括：軸承負載、軸承結構中的潤滑脂類(lèi)型和用量以及軸承內的污染物類(lèi)型、體積和規模。在確定軸承使用壽命時(shí)，康明斯發(fā)電機技術(shù)公司采用ISO 281:2007(E)（滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)額定負載和額定壽命）標準對負載、污染和潤滑脂狀況進(jìn)行考量。為了深入了解這三項因素的本質(zhì)，我們提供了以下簡(jiǎn)要綜述：
1、負載類(lèi)型
在確定軸承使用壽命時(shí)，需要考慮交流發(fā)電機軸承在工作期間可能需要承受的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負載。下文簡(jiǎn)要解釋了這兩種類(lèi)型的負載：
（1）靜態(tài)負載
軸承承受的靜態(tài)負載類(lèi)型之一來(lái)自于構成交流發(fā)電機轉子的所有組件的合并重量。轉子的典型組件包括軸、聯(lián)軸器輪轂、風(fēng)扇、主轉子鐵芯、勵磁轉子鐵芯和PMG轉子（圖1）。這些組件的質(zhì)量均受到重力加速度的影響，從而產(chǎn)生了我們通常所說(shuō)的“重量”。該重量被視為軸承承受的負載之一。軸承承受的另一種靜態(tài)負載來(lái)自于不平衡磁拉力（UMP）。UMP是因轉子/定子氣隙不對稱(chēng)而導致的磁力。這種UMP作用力同樣會(huì )施加在軸承上。
（2）動(dòng)態(tài)負載
這些負載源于轉子的質(zhì)量受到非重力加速的影響。轉子所承受的動(dòng)態(tài)負載可能在交流發(fā)電機內部產(chǎn)生，例如非平衡轉子，或來(lái)自依賴(lài)于應用/環(huán)境類(lèi)型的源頭。
2、應用
發(fā)電機軸承位置如圖5所示，主要常見(jiàn)類(lèi)型如圖6所示。
（1）工業(yè)應用
在典型的工業(yè)應用中，其環(huán)境通常處于靜止狀態(tài)，而交流發(fā)電機會(huì )承受與發(fā)電機組震蕩運動(dòng)相關(guān)的加速力。此類(lèi)運動(dòng)由發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)行為驅動(dòng)，通過(guò)交流發(fā)電機與發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機組子結構的連接傳輸到轉子。作用于轉子的力度大小取決于轉子的質(zhì)量、發(fā)電機組的設計/裝配以及發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)行為。在確定軸承使用壽命時(shí)，必須考慮到這些作用力。
（2）船舶應用
在典型的船舶應用中，其環(huán)境通常處于運動(dòng)狀態(tài)，因此交流發(fā)電機會(huì )承受與動(dòng)態(tài)環(huán)境和發(fā)電機組震蕩運動(dòng)相關(guān)的加速力。出售用于船舶應用的交流發(fā)電機必須能夠適應不同海事當局規定的特定船舶運動(dòng)（勞埃德、ABS、DNV等）。此類(lèi)運動(dòng)將產(chǎn)生動(dòng)態(tài)軸承負載，在確定軸承使用壽命時(shí)必須將其考慮在內。
3、污染
當滾動(dòng)元件軸承在正常工作條件下運行時(shí)，軸承內運動(dòng)部件與靜止部件之間的距離極小。如果任何來(lái)自環(huán)境或軸承內部金屬磨損的顆粒污染物（小型固體顆粒）進(jìn)入這些微小空隙，都可能導致滾道出現永久凹痕（金屬表面退化），隨之可能導致局部應力升高和金屬疲勞問(wèn)題。如果這些顆粒嵌入保持架兜孔中，還會(huì )對滾動(dòng)元件和保持架造成損壞。一般來(lái)說(shuō)，污染會(huì )縮短軸承的使用壽命。
另一種污染是水分滲入。如果水分滲入軸承，即會(huì )降低軸承中潤滑脂的潤滑性能，同時(shí)造成金屬表面腐蝕。這兩種影響都會(huì )導致軸承使用壽命減短。
4、潤滑脂
潤滑脂用于潤滑滾動(dòng)元件軸承。在特定軸承中使用的潤滑脂類(lèi)型取決于多項因素，如軸承類(lèi)型、轉速、環(huán)境條件、軸承負載和應用要求等。潤滑脂中的油分在軸承滾動(dòng)元件、滾道和保持架之間形成一層薄膜，以減少金屬之間的接觸頻率，從而延長(cháng)軸承的使用壽命。潤滑脂的第二個(gè)功能是散逸軸承內部產(chǎn)生的熱量。如果軸承無(wú)法散熱，就可能發(fā)生熱失控現象，進(jìn)而導致軸承過(guò)早失效。
就潤滑脂而言，另一個(gè)重要方面是軸承所需的潤滑脂用量。過(guò)多的潤滑脂會(huì )影響散熱，從而導致高工作溫度。滾動(dòng)元件（球或滾子）開(kāi)始攪動(dòng)潤滑脂，對潤滑脂造成過(guò)度機械使用和結構分解。這將導致軸承潤滑不足和軸承過(guò)早失效。
所有潤滑脂都有預期使用壽命。該預期壽命受到溫度、速度、負載、軸承結構和環(huán)境條件的影響。在較高溫度下運行的軸承潤滑脂氧化速度會(huì )更快，導致潤滑脂使用壽命減短，因此需要更頻繁地進(jìn)行再潤滑。用于環(huán)境嚴重污染的應用（采礦應用和船舶）的軸承將需要更頻繁地進(jìn)行再潤滑。
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圖5 軸承在發(fā)電機上位置圖 |
圖6 發(fā)電機軸承常見(jiàn)類(lèi)型 |
總結：
軸承的安裝、拆卸方法，應根據軸承的結構、尺寸大小和與軸承部件的配合性質(zhì)而定。安裝、拆卸的壓力應直接加在緊配合的檔圈端面上，不能通過(guò)滾動(dòng)體傳遞壓力，因為這樣會(huì )在軸承工作表面造成壓痕，影響軸承正常工作，甚至會(huì )使軸承損壞。軸承的保持架、密封圈、防塵蓋等零件很容易變形，安裝或拆卸軸承的壓力不能加在這些零件上?？得魉拱l(fā)電機技術(shù)公司在為各類(lèi)環(huán)境下的眾多應用制造和供應優(yōu)質(zhì)交流發(fā)電機方面擁有出色的記錄。該公司持之以恒地致力于從多個(gè)方面改進(jìn)設計，特別是產(chǎn)品及其組成部件的使用壽命，以滿(mǎn)足客戶(hù)不斷變化的需求。
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