大型电机主轴轴瓦动压润滑条件下的特性分析

陈刚

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

0 引言

轴瓦（即滑动轴承）作为机械运转的重要旋转支撑部件，因其承载力大、耐磨性好等优点，广泛应用于大中型电机、汽轮机等设备中。在实际应用中，当轴瓦的材料和制造工艺确定后，对大型轴瓦使用寿命影响最大的因素就是轴瓦的装配技术，主要包括轴瓦与轴颈间的轴瓦间隙、轴瓦的装配工艺两方面。以大型轧钢机1250 kW主电机为例，同一材质的轴瓦，不同的轴瓦间隙和装配工艺，其使用寿命相差很大。最短的只有2~3个月的使用寿命，最长的可以达到12个月的使用寿命。

究其原因：1）如果轴瓦的装配工艺不合理，轴瓦间隙过大，轴瓦与轴颈之间就不易形成油膜，导致润滑条件不佳甚至直接的摩擦，摩擦会产生很高的温度，直接摩擦产生的高温将其烧损；同时，轴瓦间隙过大，会引起过大的径向跳动量，再加上电机转子、定子的制造误差，很容易导致扫膛现象的发生，甚至烧毁电机。2）如果轴瓦间隙过小，由于振动和热弹变形的影响，润滑油在间隙内的剪力摩擦过大，将导致轴承发热；同时，间隙中油量减少使散热效果也变差，甚至引起烧瓦。

1 大型电机轴瓦的结构模型

1.1 大型电机在传动中的一般布置形式

大型电机在传动中的一般布置形式如图1所示，主要包括电机、联轴器、减速机、执行机构等。其中电机由1号轴承座和2号轴承座支撑。电机经过减速机的减速后再通过联接部件将运动传递至执行机构。

图1 大型电机在传动中的一般布置形式

1.2 大型电机轴瓦安装的基本结构

以图1中2号轴承座为例，电机轴瓦的基本结构如图2所示，主要包括电机主轴、轴承座、轴承盖、轴瓦、油环、轴承座端盖以及其他零件。轴瓦为剖分式，安装在轴承座内。当电动机正常运转后，靠油环随轴的旋转从油槽中将润滑油带至轴颈上，靠轴颈和轴瓦的相对高速旋转形成动压润滑。

图2 电机轴瓦安装的基本结构

2 轴瓦润滑油膜的形成过程

如图3所示，轴瓦液体动压润滑油膜形成包括3个阶段：起动、不稳定运转、稳定运转。起动阶段：转子速度低，在轴颈与轴瓦内壁的摩擦力作用下向右上方爬行，如图 3（a）、（b）所示；不稳定运转阶段：转速快速增大，轴颈与轴瓦内壁间的润滑油逐渐增多，形成压力油膜，如图3（c）所示；稳定运转阶段：当油膜压力的垂直分量等于外载荷时，形成动压润滑状态，如图3（d）所示。

图3 轴瓦液体动压润滑的形成过程

3 流体润滑特性分析

3.1 雷诺方程的近似表达式

在实际的流体润滑油膜形成机理过程中，流动是三维方向的，计算复杂。为了做定性分析，通常情况下，假定液体润滑的流体密度不变，将雷诺方程进行简化，当轴瓦固定而轴运动的速度为 v时，按照无限宽假设，雷诺方程如下：

式中：η为润滑流体动力黏度；h为任意点油膜厚度。

3.2 承载力分析

如图4所示，轴瓦的承载力有两个分量：

式中：r为轴颈半径；z为轴向坐标；φa、φb分别为轴瓦的起始及终止处的角度；B为轴瓦的宽度。总承载力

图5所示为有量纲承载力与偏心率之间关系，由图可知油膜承载力随偏心率增大而变大，当偏心率趋近于1时，轴颈与轴瓦将发生接触现象。

图4 承载力分析图

图5 承载力随偏心率变化曲线图

3.3 润滑油的泄油流量

进入轴瓦的总流量为

式中：Q1为承载区端泄流量，Q2为非承载区端泄流量，Q3为轴瓦供油槽两端由供油压力产生的附加流量。

如图6所示，当轴承的偏心率增加时油液的端泄量也在不断增大，当偏心率ε等于0.9左右时，端泄量约为最大，随后油液流量呈现下降现象。

图6 端泄量与偏心率变化曲线

4 轴瓦油膜厚度的计算

轴瓦油膜厚度的计算如下：

式中：S为裕度，对于轧钢机电机来说，可以取S=2～3；R1为轴颈表面不平度平均高度；R2为轴瓦表面不平度平均高度；y1为轴瓦中轴颈的挠度；y2为轴颈偏移量。

根据承载力分析、泄流量分析，再结合最小油膜厚度就可以推导出较为合理的轴瓦间隙。

5 结语

大型电机轴瓦往往工作在高速重载的工况下，当轴瓦材料、轴瓦结构、轴颈旋转速度及负载等参数确定后，最影响轴瓦润滑特性的就是轴瓦油膜的厚度。在转子运行过程中，存在最佳的轴瓦间隙。合理的轴瓦间隙能形成有效的承载力，同时又能提供良好的润滑条件，使得油膜具有很强的稳定性，从而保证电机转子的高效运转。

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