高压比鼓风机增速箱推力轴承试验及改进

杨 微，王中军，毛佳佳，乔小芬

（南京蔚邦传动技术有限公司，江苏 南京 210038）

在设计条件下，压缩比e=2～3 的风机为高压鼓风机，本文提到的高压鼓风机为离心鼓风机，高压离心鼓风机由于具有运行平稳、运转效率高、噪声相对较低、机械磨损微小等特点，目前已经普遍运用在环保水处理、废水处理、电厂城市污水处理等领域[1]。

滑动轴承是高压鼓风机增速箱中极其重要的部件，在高压风机转子传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的作用，滑动轴承在风机增速箱运行中，一项重要的质量指标是尽可能减小轴承温升，轴承温度超标是使轴承损坏的重要因素之一，如果增速箱轴承温度过高会导致风机故障、油封烧坏、叶轮卡死等情况，因此轴承本身的质量至关重要，轴承本身振动过大、质量不过关都会影响润滑油膜的稳定性，导致轴承温度过高[2]。

针对某公司整机运转过程中，振动值未超标，而推力轴承出现温度较高、不满足设计要求、推力面易损伤的情况，对推力轴承推力面进油孔、油楔深度、油槽等部分进行适度的改进，经过2 次改进试验，轴承温度满足设计要求，最终解决轴承温度过高的现象。

1 可倾瓦径向轴承结构及工作原理

高速转子由2 个可倾瓦径向轴承支持，轴向设有止推轴承，转子包括高速轴，固定在轴上的叶轮、螺杆、锁紧螺母及推力盘。高速转子与轴承装配图如图1 所示。

图1 高速转子与轴承装配图

可倾瓦径向止推轴承是风机的核心零件，也是机械维修的重点和难点，可倾瓦径向轴承用以支持转子使之高速运转，止推轴承则承受转子上剩余轴向力，限制转子的轴向窜动，保持转子在齿轮箱中的轴向位置，止推轴承推力面结构如图2 所示。

图2 止推轴承推力面结构图

可倾瓦径向轴承在工作时，轴颈不停地回转，润滑油带入到轴颈和轴承之间，从而形成一层薄薄的油膜，由于轴颈和轴承中心并不同心，而是有一个偏心，这种楔形油膜可以使转子浮起来。止推轴承推力面是固定瓦式的推力轴承，止推面上开有单方向的楔形倾斜角，转子旋转时，由于润滑油有一定的黏性，轴径上的油有一部分从进油孔被带到推力面上，在推力面与止推盘间形成油膜压力，承受转子的轴向推力[3]。

2 轴承的设计参数及计算

最小油膜厚度是非常重要的参数，用以保证在过载时，两工作面不发生接触，且能够避免油污可能卡在工作表面之间的间隙中[4]，在相同的进口油压和转速下，油膜厚度越小，油膜压力越大，其刚度越大，对轴瓦的压力就越大，油膜厚度越大，油膜的刚度越低，油膜不稳定，则起不到承载的能力，因此油膜厚度在推力滑动轴承工作过程中起着至关重要的作用。

油膜厚度的表达式分为支点处油膜厚度、绕支点轴瓦径向倾角引起的油膜厚度、绕支点轴瓦周向倾角引起的油膜厚度[5]。

高速轴承的设计输入如表1 所示。

表1 轴承设计输入参数

推力面计算结果如表2 所示。

表2 推力面计算结果

3 风机运行情况及原因分析

3.1 运行情况

高压比风机转速20 540 r/min，电机2 980 r/min，轴承的设计要求：轴承温度小于等于95 ℃。

轴承推力面进油孔直径Φ3 mm，油楔深0.038 1～0.063 5 mm，运行时间为4 h，进油压力0.26 MPa，进油温度41.3 ℃。

运行结果：径向瓦温度73.6 ℃，推力瓦温度最高为105 ℃。

推力瓦温度远大于95 ℃，不满足设计要求。

3.2 原因分析

3.2.1 振动因素

风机振动过大，不利于轴承油膜的形成，易导致推力轴承温度过高，在该风机运行过程中，对轴位移进行测试，满足振动要求，排除因振动过大导致轴承温度过高的原因。

3.2.2 润滑油品质因素

若润滑油中含有杂质颗粒，当细小颗粒进入推力瓦块的表面与推力盘之间后，小颗粒硬物易划伤瓦块表面，造成瓦块表面粗糙度增加、光洁度降低，或者细小颗粒残存在进油孔处，导致润滑不畅，从而引起轴承温度过高，在对润滑油检测后，润滑油的清洁度满足要求，排除润滑油品质因素。

3.2.3 推力面的光洁度因素

轴承瓦块推力面的加工精度不够，粗糙度高，使得轴承瓦块表面和推力盘形成油膜的厚度过小，使轴承瓦块表面和推力盘接触，导致油膜不能形成，造成瓦块的研磨，使瓦块温度高。推力面的光洁度不好是轴承温度过高的原因之一，后续可对轴承的光洁度进一步进行改进。

3.2.4 进油孔径及推力面油楔的深度因素

对增速箱高速轴支承轴结构进行分析，轴承运转过程中，推力面上的润滑油是通过进油孔被带到推力面上，因此进油孔的大小会影响推力面上润滑油量，另一方面推力面上的进油孔同时还起到卸油的作用，径向轴承和轴径中的油通过进油孔被带到推力轴承上，进油孔径过小，推力面油楔的深度不足，会使得润滑油在此处形成死区，回油不畅，热量无法带走，从而会导致轴承温度过高[6]，可见轴承供油结构不合理是导致轴承温度偏高的主要原因。

4 改进措施及效果

4.1 第一次改进测试

润滑不良是导致轴承温度偏高的主要原因，在进油压力无法改变的情况下，第一次改进测试中，优先优化进油孔的直径，使得进入推力轴承的油量增加，这样就可在推力盘与工作面之间建立良好的油膜。

改进措施：推力面进油孔直径由Φ3 mm 增大至Φ6 mm，油楔深度增加至0.06～0.09 mm。

运行时间4 h，进油压力0.26 MPa，进油温度41.3 ℃。

运行结果：径向瓦温度75.4 ℃，推力瓦温度最高为97.5 ℃。

进油孔直径及油楔深度增加后，推力瓦最高温度仍有97.5 ℃，大于设计温度95 ℃，不满足设计要求，但较未改进前整体温度都有很大的改善。

4.2 第二次改进测试

由于推力面的光洁度影响轴承温度，因此在第一次改进的基础上，对进油孔处、油楔斜面再进一步改进，改进措施如下。

用金相砂纸修磨油楔斜面，同时提高推力面光洁度。原油楔斜面深度为0.06～0.09 mm，现将原油楔斜面修磨至0.09～0.13 mm。油楔斜面修磨量如图3 所示。

图3 油楔斜面修磨量

油槽一边进行倒角。在油楔斜面低处的油槽一边进行倒角，对润滑油起到一定的导向作用，很好地将油槽中的油导入到楔形间隙中，油槽倒角图如图4所示。

图4 油槽倒角图

修推力面和平面过渡处有的台阶。推力面和平面过渡处的台阶及止推面加工精度不足，对油膜的形成有一定的影响，使得润滑油不能充分分布在推力面上，加剧轴承推力面磨损，使得推力轴承温度升高，如图5所示。

图5 修前后推力面图

运行结果：径向瓦温度81.7 ℃，推力瓦最高温度为84.4 ℃。

第二次改进后，推力瓦温度小于设计温度95 ℃，满足设计要求。

5 结果分析及建议

轴承改进前后风机3 次运行测试对比情况如表3及图6 所示。

表3 3 次风机测试情况表

图6 3 次风机测试推力瓦温度随时间变化趋势图对比

由图6 可以看出，第二次改进后，轴承的温度明显下降，推力瓦温稳定在90 ℃以下，完全满足设计要求。

本测试是在进油压力和进油温度基本相同及同一设备的条件下运行，保证测试条件的一致性，由上可知，整改后，推力瓦温度降低较为明显，改进效果显著，因此建议轴承制造过程中提高轴瓦和推力面的光洁度、对油楔斜面低处的油槽一边进行倒角、推力面和平面交界处应平滑过渡、油楔斜面的深度要合理。