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滚动轴承在工业电机结构中常见的配置方式详解

发布人:西莫电机论坛时间:2020-07-23来源:工程师
1  前言

滚动轴承是工业电机中最经常使用的轴承类型。滚动轴承在电机中的使用生命周期以轴承的选择为起点,以轴承的失效分析为重点。其中将滚动轴承正确的布置在电机结构当中,是轴承能够充分发挥其作用最关键的一个步骤,通常电机轴承在电机结构中的布置会与轴承的选择交杂在一起,反复迭代,相互校验,最后成为轴承投入使用的起点,是后面所有可能发生的轴承问题的图纸设计原点。

2 工业电机中滚动轴承布置总述2.1 电机结构中的轴承及其作用

常见的电机结构包括转子(轴,转子铁芯、导条(或者绕组))、定子(机座、定子铁芯、定子绕组、接线盒、端盖、轴承盖等)以及连接件(轴承、密封、碳刷等)等几大组成部分。

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在所有的电机结构零部件中,有的承受轴、径向负荷但是没有自身内部的相对运动;有的自身以后内部的相对运动但是不承受轴、径向负荷。只有轴承既承担轴、径向负荷同时在内部相对运动(内圈、外圈、滚动体的相对运动。)因此轴承本身是电机结构中的敏感部件。这也就决定了轴承在工业电机中的布置的重要性更加突出。

2.2 滚动轴承在电机中的布置基本步骤

滚动轴承在工业电机中的布置指的是工程师在进行工业电机结构设计的时候如何在轴系中将不同类型的轴承安放布置到系统中的过程。要实现正确的电机轴承布置,需要:

第一步:了解滚动轴承在工业中的工作工况。其中包括:

-         卧式电机还是立式电机

立式电机和卧式电机对轴承而言,其负荷方向会有不同。对于卧式电机而言,重力会是一个径向负荷,而对于立式电机而言,重力是一个轴向负荷。这将在很大程度上影响轴承的类型的选择以及轴承在电机中的布置。

-         外界的轴向径向负荷情况

电机外界的轴向径向负荷最终会通过转子到轴承再到定子上的传递路线进行传递。所以外界的轴向径向负荷的大小影响着轴承的选型,以及轴承的布置。

-         电机要求的转速情况

电机的转速要求会影响着轴承的大小以及轴承类型的选择,同样也会影响到轴承在电机中的配置方式。

-         其他要求:比如轴向窜动要求、振动工况的要求、机座材质的差异,电机倾斜情况等。

总之,在着手对工业电机轴系中轴承进行布置之前,需要对电机的实际工况进行全面了解,才能保证后面选型的合理可靠。

第二步:轴系支撑方式的确定。

       根据第一步掌握的工况,确定轴系统的支撑方式。一般而言,电机结构是一轴两支撑结构(个别特殊电机除外)。在这种一轴两支撑结构的轴系统中,一方面要保证轴系统的轴向定位,另一方面要保证轴系统自身可以吸收电机在发热状况下定转子由于热膨胀而带来的尺寸变化。因此需要决定轴系统中的固定端和非固定端(也叫浮动端)。

第三步:确定轴承类型。

根据前两步,考虑轴承负荷和选择的固定端和浮动端的轴系统结构,再根据轴承承载特性为固定端和浮动端选择合适的轴承类型。

在进行这一步选择的时候需要对轴承本身的承载特性有所了解。为便于读者理解,仅针对工业电机中常用的轴承类型情况罗列如下:

轴承类型

轴向负荷能力

径向负荷能力

可否做定位端

可否做浮动端

深沟球轴承

N/NU圆柱滚子轴承

角接触球轴承

球面滚子轴承

需要说明的是,上述表格里的有、无、是、否都是指这种类型的轴承单个轴承而言。当存在某些轴承的组合的时候,可以根据实际情况进行相应的分析。

第四步:在轴系上正确的布置轴承。

这一步指的是如何在轴系的设计中实现定位轴承的“定位”,同时如何保证浮动端轴承的“浮动”。

通常的定位将轴承的内圈和外圈在轴向上进行固定。这种固定可以通过轴肩、锁紧螺母、电机轴承室小盖止口等实现。

固定端轴承的典型结构

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如上图所示为典型的固定端轴承结构形式。图中轴承的外圈在轴承室中的轴向上被固定,同时轴承内圈在轴上通过轴肩和锁紧螺母进行轴向固定。

浮动端轴承通常是通过轴承外圈在轴承室内部的轴向移动实现的。这就要求在轴承室的轴向上对轴承外圈放开移动空间,同时其配合不应过紧。

浮动端轴承的典型结构

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如上图所示是典型的浮动端轴承结构形式。图中轴承内圈在轴上通过轴肩以及锁紧螺母进行轴向固定,同时轴承外圈留有轴向移动的空间。

完成以上步骤就完成了轴承在电机轴系统上的布置工作。

3 典型电机轴承布置举例

电机轴承布置有很多种,常用的电机轴承结构有:

1、双深沟球轴承结构

a) 定位端+非定位端结构

b) 交叉定位结构

2、一柱一球结构

3、两柱一球结构

4、立式电机的轴承布置

a) 单个角接触球轴承+深沟球轴承结构

b) 配对角接触球轴承+深沟球轴承结构

先根据这些结构一一阐述

3.1 双深沟球轴承结构

双深沟球轴承结构是工业电机中最常见的轴系结构,其主要轴系支撑结构由两个深沟球轴承组成。两个深沟球轴承一同承受。

3.1.1 定位端+非定位端结构

双深沟球轴承结构中最典型的布置方式就是定位端深沟球轴承加非定位端深沟球轴承的方式。如下图所示:

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图中轴伸端轴承为定位端轴承,非轴伸端轴承为浮动端轴承。两端轴承承受轴系上的径向负荷,同时定位端轴承(此结构中位于轴伸端)承受轴系的轴向负荷。

通常这种结构的电机轴承布置适用于电机轴向径向负荷不大的场合。常见的就是联轴节连接负载的中小型电机结构。

在这样的电机结构中需要注意的是在浮动端轴承施加一个合适的预负荷十分有助于降低轴承噪声,同时也可以在一定程度上避免伪布氏压痕的发生。一般小型电机使用波形弹簧来实现这个预负荷,对于中型电机有可能通过加柱弹簧的方式施加于负荷。上图所示为波形弹簧的方式,所以从这个图可以判断出,这是一台小型电机的结构示意图。

3.1.2    交叉定位结构

在小型电机中,双深沟球轴承结构经常以交叉定位的形式被使用。所谓交叉定位就是两个深沟球轴承分别在一个方向上对整个轴系进行轴向定位,从而实现整个轴系在双方向上被固定。

下图为一个典型的交叉定位轴承结构布置示意。

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图中轴伸端轴承外圈的一侧在轴向上被固定,内圈通过轴肩被固定,轴伸端轴承可以承受从轴伸端的拉力,也就在这个方向上被轴向固定。

相应的,非轴伸端轴承在内圈上被轴肩和挡圈一起在轴向上被固定,而轴承外圈的一侧通过端盖进行固定。这时轴承可以承受来自轴伸端向内的推力,因此也就在这个方向上被轴向固定。

综上,整个电机轴系统在轴向上分别通过两个轴承被定位。同时如果电机由于发热等原因造成了轴的轴向膨胀,这样膨胀的尺寸变化会变成轴承的轴向预紧力。如果这个膨胀不会很大,那么这个预紧力对轴承运行的噪声性能有一定好处,同时又不会大幅度降低轴承寿命。通常小电机负荷这个条件。但是如果在大电机,或者轴向膨胀尺寸比较大的电机中,这个轴向力有可能变得很大,会降低轴承寿命,这就造成了负面影响。正因为这个原因,这种轴承配置结构只能用在小型电机上,而不能使用在中型或者更大的电机上。

3.1.1的情况一样,交叉定位结构中对轴承施加一定的预负荷有助于降低轴承运行时候的噪声,同时避免伪布氏压痕的发生。由于交叉定位结构多用在小型电机中,因此这种预负荷也通常是通过波形弹簧的方式实现的。

3.2 一柱一球结构

一柱一球结构典型布置如下图示意:

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图中轴伸端使用的是NU型的圆柱滚子轴承作为浮动端使用,非轴伸端使用的是深沟球轴承做固定端使用。

轴伸端NU型圆柱滚子轴承在轴承内外圈上通过轴肩,挡块,以及轴承小盖等进行轴向夹紧。轴承的轴向浮动是在轴承内部实现的。

非轴伸端的深沟球轴承作为定位端轴承,其内圈外圈同样通过轴肩、挡块以及轴承小盖进行轴向夹紧和固定,确保了整个轴系在轴向上不可移动。

通常这种结构是使用在电机轴伸端承受比较大的径向负荷的时候。最常见的情况就是皮带轮负荷的工业电机中。在实际中,经常有电机厂在径向负荷不大的电机中也使用这样的结构,这样做有三个缺点:

1、轴伸端圆柱滚子轴承有可能由于径向负荷不够而不能达成纯滚动而出现发热等现象。

2、由于这样的结构中定位端轴承没有办法添加预负荷,同时圆柱滚子轴承本身的噪声相对于深沟球轴承而言也偏大,因此这样的结构噪声性能会比两个深沟球轴承结构大。

3、从成本角度也会造成一定程度的浪费。

最后,这样的电机结构中也需要对电机补充润滑的油路加以考虑,确保油脂的添加到排出的路径通常,同时必须流经轴承,否则起不到补充润滑的效果。

3.3 两柱一球结构

两柱一球结构是中大型工业电机中常用的轴承布置结构,如下图示意:

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图中可以看出,轴伸端使用一个圆柱滚子轴承加一个深沟球轴承作为定位中轴承。两个轴承轴向夹紧,同时轴承外圈通过电机轴承小盖固定,轴承内圈通过轴肩和锁紧螺母固定,保证了整个轴系统的轴向定位。需要注意的是,请读者仔细观察上面轴伸端轴承室的部分,可以清楚的看到,深沟球轴承和圆柱滚子轴承轴承室尺寸不一样。这样做的目的是为了避免深沟球轴承承受不应用的径向负荷。同时由于这个尺寸不同,为了避免深沟球轴承出现外圈跑圈的现象,因此使用了O型环结构。

图中非轴伸端使用一个圆柱滚子轴承作为浮动端轴承。NU型圆柱滚子轴承的内圈和外圈通过轴肩,弹簧卡圈,以及两个小盖止口夹住。轴承的轴向浮动是在轴承内部实现的。

两柱一球的电机轴承布置结构通常适用于电机径向负荷较大的场合。一般而言多是在中大型电机结构中常见,由于电机转子重力很大,深沟球轴承的径向负荷能力无法满足,因此使用圆柱滚子轴承来承担这个大的径向负荷,而深沟球轴承的引入纯粹是为了轴向定位功能的实现。

3.4 立式电机的轴承布置

立式电机和卧式电机轴承承受的负荷不同。其中最大的区别就在于所有的零部件重力在卧式电机里是作为径向负荷施加在轴承上,而对于立式电机,这些负荷全部变成了轴向负荷。因此并不是所有的卧式电机在改变连接结构之后,或者更有甚者不做任何改变的时候就直接可以作为立式电机使用。(当然对于小型电机或者微型电机转子自重很小的情况下可以这么用)

3.4.1 角接触球轴承+深沟球轴承结构

当电机轴向负荷比较大的时候,仅仅依靠深沟球轴承的轴向承载能力无法满足需要,此时就需引入角接触球轴承承担这个轴向负荷。下图是典型的角接触球轴承+深沟球轴承结构

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上图中,非轴伸端使用一个角接触球轴承作为定位端轴承。由于单个角接触球轴承只能承受单方向的轴向负荷,因此这个轴承仅对轴系统进行了单向定位。同时另一个方向上靠电机转子自重保证定位。

相应地,图中轴伸端使用深沟球轴承作为非定位轴承,轴承内圈被轴肩以及锁紧螺母锁定,同时轴承外圈两侧放开。

需要注意的是,这个轴系统中靠电机转子自身重力保证一个方向的定位,为保证这种定位方式的可靠性,在深沟球轴承上架了一个弹簧预负荷。这个负荷十分重要,负荷的大小要保证电机在轻微向上负荷的时候,角接触球轴承不至于脱开。尤其是当电机直接连接风机泵类负载的时候,启动阶段可能出现反向力,此时如果没有这个预负荷,角接触球轴承十分容易烧毁。

另一方面由于这个结构的特点,电机在组装后的实验中,也需要立式运行,否则深沟球轴承会有烧毁风险。

3.4.2 双列角接触球轴承+深沟球轴承结构

当单个角接触球轴承的轴向负荷能力依然不能满足轴向负荷要求的时候,可以使用串联角接触球轴承+深沟球轴承结构,如下图所示。

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图中可见,电机非轴伸端使用两个角接触球轴承串联使用作为定位端进行单向定位,这个定位道理和单个角接触球轴承一样,转子自身重量也负责做另一个方向的轴系定位。

轴伸端使用一个深沟球轴承作为浮动端轴承,轴承内圈被轴以及弹簧卡圈定位,轴承外圈留出了相应的轴向空间。

这个结构的受力方式和单列角接触+深沟球轴承的类似,因此注意事项上也类似。

另一种双列角接触球轴承+深沟球轴承的电机轴承布置方式是用于承受双向较大的轴向负荷的工况。这种结构通常使用面对面或者背对背的角接触球轴承配对使用作为定位端,而另一端使用深沟球轴承作为浮动端轴承。这种结构可以当作两个深沟球轴承定位端+浮动端的模式使用,只是轴向力比前者更大。

4 总结

本文针对电机中轴承布置的基本概念,方法步骤以及典型的一些布置方式进行了介绍。事实上,轴承布置是一个综合知识点运用,需要工程师掌握轴承基本性能作为基础。同时针对工况实际做灵活应用。本文仅仅对几个典型配置做了阐述,事实上实际的配置方式还有很多,但只要具备基本知识,应该可以根据实际情况进行推演。


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