核电厂皮带式风机轴承载荷计算及应用

饶海滨

（阳江核电有限公司，广东阳江 529941）

0 引言

滚动轴承是核电厂皮带风机的关键部件，一旦轴承失效，将会引起严重后果。皮带风机的载荷对轴承的使用寿命有着重要影响：过大会造成设备运转噪声和振动增大，使轴承承载能力不足，缩短轴承使用寿命；过小则会使轴承滚动生热增多，导致系统温度过高，甚至烧损轴承、引发故障，所以载荷计算是选择适当轴承型号的重要工作内容。

1 皮带轴承承受的载荷计算

某核电厂的电气厂房主通风系统风机使用OPTIBELT品牌的窄V皮带，为防止运行过程皮带出现打滑情况，将皮带的张紧力调整至规定的范围。

皮带张紧力作用在轴上的径向力Fr，通过式（1）得出：

式中 Fr——作用在轴上的径向力，N

α1——小带轮包角

Z——皮带的根数

通过在V带与两带轮切点的跨度中点处垂直下压皮带，使皮带每100 mm产生1.6 mm的挠度，测量该垂直下压力（图1）。其中，G为下压力，α为两带轮中心距，t为皮带与两带轮切点的距离。

图1 下压力的测量

对于测量新皮带的初始下压力G，通过式（2）得出：

式中 ΔF0——初拉力增量，N（可通过查表[3]得到）

G——下压力，N

由式（1）、（2），可得出皮带张紧力作用在轴上的径向力Fr。

2 轴承载荷计算应用

2.1 轴承载荷计算过程

2019年4月，电气厂房主通风系统风机驱动端轴承处有焦糊味，振动值超过停机值，立即停运风机。在轴承解体检修中发现，滚动体、保持架出现严重磨损，油脂碳化，轴承严重损坏。查询该风机轴承的更换历史，1个月前曾对该风机进行过轴承替代换型，轴承型号由SKF 2309 ETN9替代为SKF 22309E。

对损坏的轴承进行了分析，认为该通风机的故障失效是由于轴承替代论证过程中未核算轴承最小负荷所造成的。

电气厂房主通风系统风机的参数见表1，其下压力为15～21 N。

作用在风机轴承的径向力，由皮带张紧力作用于轴上的力、叶轮的自重和转轴的自重组成（图2）。

图2 轴承的受力示意

将表1中的风机参数带入式（3）中，风机轴承承受的径向力为1060～1444 N，取大值1444 N。轴承型前后的相关参数及所受载荷数据见表2。

表1 某风机参数及张力核算

表2 电气厂房主通风机轴承换型前后的相关参数

轴承运行时所需的最小负荷可用式（4）[2]估算：

其中，Pm为最小负荷，C0为基本额定动负荷。

轴承的当量动负荷可用式（5）[3]计算：

其中，P为最小负荷，Y0为计算系数。

将表2风机轴承换型前后的相关参数代入式（4）、（5）可得出：轴承22309E的当量动负荷为1640 N，运行时所需的最小负荷为1830 N；2309 ETN9的当量动负荷同为1640 N，运行时所需的最小负荷为193 N。

换型后的轴承（22309E）运行时当量动负荷小于轴承允许最小负荷，滚动体出现滑动摩擦。

2.2 轴承故障逻辑推理过程

2019年2月24日，电气厂房主通风机轴承更换完成后启动验证，轴承的振动、温度参数均无异常，但是滚动体已经处于滑动摩擦的状态，加剧摩擦生热，使得轴承工作温度高、轴承工作面上形成早期的异常磨损。在轴承运行初期，轴承滚动体由于滑动摩擦异常磨损，但因为在运行初期润滑脂比较充分，轴承能运行在一个相对高的温度下（和正常情况对比）。随着运行时间的延长，由于工作温度高，润滑脂性能下降得更快，润滑周期则相应变短，如果还按照原来的润滑周期来补充新润滑脂，则轴承将得不到很好的润滑，导致轴承运行温度进一步升高、润滑周期变短，其最终的结果就是，轴承表面过热软化，滚子、保持架、轴承内外圈的机械强度减小，轴承开始变形，转动阻力增大；轴承内圈出现异常剥落，随着过热和剥落的发展，会导致保持架运转阻滞并产生附加载荷（保持架异常载荷），加剧保持架的磨损过热直至磨损断裂；轴承内圈、外圈的滚道面或滚动体面，由于滚动疲劳而呈现鱼鳞状的剥离融根等。

随着风机持续运行，情况进一步恶化，轴承内部温度急剧升高、油脂被碳化出焦糊味，轴承滚柱在无保存架固定的作用调转90°，出现剧烈振动。

2.3 改进建议

为了提高轴承的承载能力、轴承的使用寿命，同时也要使轴承的载荷满足运行。轴承的额定寿命为L10，因为轴承转速近似为固定值，轴承寿命通常用工作小时数表示：

式中 L10——基本额定寿命（90%可靠性），h

L10h——基本额定寿命（90%可靠性），h

C——基本额定动负荷，kN

P——当量动负荷，kN

n——轴承转速，r/min

p——计算系数，球轴承取3、滚子轴承取3.3

为提升电气厂房主通风机轴承的额定寿命，满足运行时最小负荷的要求，根据SKF厂家的建议将下压力调整为25～35 N，电气厂房主通风机轴承的当量负荷为2447～3407 N。此时，选用轴承型22309E的满足轴承运行时最小负荷的需求，滚动体不会出现滑动摩擦。将轴承的相关参数代入式（6）、式（7），得到电气厂房主通风机轴承使用型号为22309E的额定寿命约341×106h、使用2309 ETN9时额定寿命约0.044×106h，可见使用前者的额定寿命远大于后者。同时，如果增加皮带下压力后，使用2309 ETN9时的额定寿命将不满足1×105h[3]的使用寿命要求。

3 结论

（1）通过对电气厂房主通风机轴承替代换型前后的载荷计算，分析替代后轴承22309E不满足风机运行时所需最小负荷的要求，滚动体出现滑动摩擦，最终导致轴承出现损坏。

（2）在皮带风机轴承选型过程中，须统筹核算轴承运行时所需的最小负荷、轴承下压力、轴承寿命，选择合适的皮带下压力和轴承型号，才能有效提高轴承的使用寿命，降低轴承故障率。