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軸承選型計(jì)算|臥式電機(jī)受力分析

2023-03-14

1 基本知識(shí)

電機(jī)的軸承選型及設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要考慮受設(shè)計(jì)工況、運(yùn)行環(huán)境和制造精度的影響。一般情況下,電機(jī)軸承的主要受力包括:1.電機(jī)轉(zhuǎn)子的自重(包括軸系中聯(lián)軸器和滑環(huán)重量);2.電機(jī)運(yùn)行中的單邊磁拉力;3.電機(jī)運(yùn)行中的振動(dòng)載荷;4.電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起不平衡力;5.其他外加載荷。因此,要準(zhǔn)確的選型一組電機(jī)軸承,首先需要對(duì)其受力進(jìn)行了解和分析。

2 受力簡(jiǎn)圖及說(shuō)明

G1:轉(zhuǎn)子重量,kg

G2:滑環(huán)重量,kg

Fm:?jiǎn)芜叴爬Γ琸N

Fva:軸向振動(dòng)沖擊載荷,kN

Fvh:水平振動(dòng)沖擊載荷,kN

Fvv:垂直振動(dòng)載荷,kN

G6.3:轉(zhuǎn)子不平衡精度等級(jí),mm/s

Fa:外部軸向載荷,kN

Fr:外部徑向載荷(如聯(lián)軸器重量等),kN

Fs:彈簧預(yù)緊力,kN

D:轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度,mm

L1、L2:轉(zhuǎn)子重力、不平衡力、徑向激振力與驅(qū)動(dòng)端軸承、非驅(qū)動(dòng)端軸承的距離,mm

X:轉(zhuǎn)子單邊磁拉力與轉(zhuǎn)子重心間的距離,mm

B:外部載荷與軸承間的距離,mm

E:滑環(huán)與軸承間的距離,mm

3 軸承受力計(jì)算

電機(jī)中滾動(dòng)軸承,按照所承受載荷的方向不同,分為軸向載荷和徑向載荷。因臥式電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)決定,軸承所受軸向載荷均比較單一,主要包括外部軸向載荷、軸向振力以及彈簧預(yù)緊力。在本文中,外部載荷、軸向振動(dòng)力由固定端軸承承受,彈簧預(yù)緊力由浮動(dòng)端軸承承受,即:

臥式電機(jī)所承受的徑向載荷相對(duì)復(fù)雜,根據(jù)力的位置和方向不同,對(duì)電機(jī)軸承的影響不同。因此,電機(jī)軸承所承受的徑向載荷是其重力、單邊磁拉力、振動(dòng)沖擊力、不平衡力以及外部載荷的總和,即:

在計(jì)算軸承受力之前,先對(duì)軸系中的徑向力進(jìn)行分類(lèi)。轉(zhuǎn)子、滑環(huán)、聯(lián)軸器等自重力,大小和方向均為恒定。因此,其對(duì)軸承產(chǎn)生的作用力也是恒定的,即:

單邊磁拉力的計(jì)算較為復(fù)雜,在通常情況下,該值由電機(jī)設(shè)計(jì)廠家提供。按照美國(guó)西屋公司單邊磁拉力的簡(jiǎn)化算法,其值Fm表述為:

將電機(jī)的單邊磁拉力作用在臥式電機(jī)的兩個(gè)軸承上,其大小和方向均為變化的。在此,我們只考慮單邊磁拉力Z大的情況,即:

振動(dòng)負(fù)荷對(duì)臥式電機(jī)的影響可由牛頓第二定律進(jìn)行計(jì)算。需要指出的是,實(shí)際的振動(dòng)負(fù)荷是瞬態(tài)的,并同時(shí)作用在各個(gè)方向上,其核算方法也非常復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文遵從ISO10816的定義,取軸向、水平和垂直三個(gè)方向的Z大值,即

(M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量,kg;a為振動(dòng)加速度,)。則有:

轉(zhuǎn)子不平衡力由客戶(hù)給定的轉(zhuǎn)子不平衡精度計(jì)算得出,在不同的轉(zhuǎn)速下,其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的不平衡力是不同的。本文采用許用不平衡度的計(jì)算方法取值Z大的不平衡力,即:

將轉(zhuǎn)子的不平衡力作用在臥式電機(jī)的兩個(gè)軸承上,其方向隨不平衡量位置的變化而變化,即:

其他外來(lái)載荷,本篇不再贅述。在計(jì)算中,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分解。

電機(jī)軸承承載的以上所有負(fù)荷中,只有轉(zhuǎn)子或部件的自重力為恒力。其他如單邊磁拉力、振動(dòng)沖擊?、不平衡力均為動(dòng)態(tài)甚至瞬態(tài)力。因此,在綜合計(jì)算軸承所承載的負(fù)荷時(shí),一般先進(jìn)行Z大負(fù)荷的計(jì)算。當(dāng)所有動(dòng)態(tài)力作用在同一方向,且與所有恒力的合力也在同一方向時(shí),軸承所受的負(fù)荷Z大,即:

在實(shí)際的工況中,所有動(dòng)態(tài)力幾乎不可能同時(shí)滿(mǎn)足Z大且在同一方向的條件。如果按照Z(yǔ)大徑向負(fù)荷作為選擇軸承的輸入載荷,將極可能出現(xiàn)Z小負(fù)荷不足的問(wèn)題。因此,為平衡軸承壽命和Z小負(fù)荷的影響,根據(jù)公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在軸承壽命計(jì)算時(shí),所受徑向力按軸承所承受恒力和單邊磁拉力的100%外加其他瞬態(tài)力的33.3%進(jìn)行計(jì)算,并按軸承理論所受Z大負(fù)荷的100%計(jì)算軸承的靜安全系數(shù)。即:

(來(lái)源:湖南崇德科技股份有限公司)