06-一端轴承浮动,另一端轴承固定的风机主轴

调心滚子轴承模型
图 6 主轴轴向偏移
工况 圆锥滚子轴承模型
承载区比较——靠近齿轮箱的一列
主轴的轴向偏移取决于系统的刚性和固定端轴承 的内部游隙。在固定端使用预紧的双列圆锥轴承后， 主轴右端的轴向偏移几乎比使用调心轴承时减少4 倍。减小轴向偏移可以减小轴向挤压齿轮箱输入轴的 风险，这非常重要。
调心滚子轴承模型
调心轴承的表现比较差是因为大部分时间都只是 一列滚子在受力。在种情况在大直径的调心轴承情况 更容易发生，因为大直径调心轴承的内部游隙可以转 化为在球体内相当大的轴向间隙。在外部作用力下， 内圈相对于外圈会发生从左到右的偏移，直到右边一 列滚子和外滚道接触为止。在这种情况下，双列调心 轴承的游隙都作用于左边一列滚子，使得左边滚子和 外滚道脱开从而大部分时间不承载。
和调心轴承一直有径向游隙相比，双列圆锥轴承有 0.500的预紧，提高了系统的刚性。
双列圆锥轴承改善了双列滚子之间的载荷分布，减 小了每列的径向和轴向变形。
4
在静态状况下减小轴向游隙可以降低假性压痕的 可能性。
主轴轴向偏移与工况的关系图
承载区比较——靠近轮毂的那一列
调心滚子轴承模型
工况 圆锥滚子轴承模型
对于圆锥轴承来说，两列滚子间的载荷分配有所 改善，对于调心轴承来说，大部分时间里所有的力只 有一列滚子承受。
靠近轮毂的那一列 图 8 圆锥滚子轴承的承载区
靠近齿轮箱的一列
5
圆锥轴承两列同时承载是因为：
圆锥轴承是预紧的，消除了内部游隙
预紧提高了径向和轴向的刚性，从而降低了运行中 的变形，在低速运转的情况下优化的承载区有确确 实实的好处
Fz (N)
-500 000 -500 000 -500 000 -500 000 -500 000 -500 000
My (Nm)
600 000 600 000
0 0 -600 000 -600 000
Mz (Nm)
450 000 -750 000 450 000 -750 000 450 000 -750 000
速度，滑动，滑移和剥落所带来的问题在脂润滑 的情况下会更糟。这是因为油脂黏度更大，会阻碍承 载区外的滚动运动。
滚道应力
应力大小和承载区大小相关，系统有更好的承载 区是非常重要的，当载荷由许多滚子以及两列滚子承 受时应力值会小一些。图10给出了平均应力值。
靠近转子的那一列 图 9 调心滚子轴承的承载区
3
调整寿命是考虑了各种环境因素比如运行温度， 径向偏移
偏心，承载区，润滑和应力水平，它的公式为：
L10 为样本寿命（小时） ai 为环境系数
结果表明双列圆锥加圆柱轴承的方案调整寿命要
图5给出了当量载荷工况下主轴上节点1的径向偏 移（轮毂一端）
节点1径向偏移和工况的关系图
比调心轴承方案长。
图 7 轴承的承载区
工况 圆锥滚子轴承模型
轴承的承载区
在一端固定一端浮动的轴承布置情况下，固定端 轴承（圆锥或调心）同时承受径向力和轴向力，而浮 动端轴承（圆柱或调心）只承受径向力。因为轴向力 作用方向是从转子端指向齿轮箱端的，因此不管是使 用圆锥还是使用调心轴承，只有靠近齿轮箱一端的一 列滚子承受所有的轴向力，参见图7。
主轴轴承的比较
有一些风机在主轴位置上使用两个调心滚子轴 承。固定端调心滚子轴承承受轴向力和径向力，浮动 端调心滚针轴承只承受轴向力。安装时两个轴承都有 一定的径向游隙。安装游隙对轴承轴向和径向的刚性 有着重要的影响。因此，主轴的径向偏移和轴承轴向 移动都要受到初始游隙及轴孔配合的影响。减小轴承 的径向偏移对提高轴承和系统的性能都有好处。在固 定端使用一个预紧的双列圆锥轴承，在浮动端使用圆 柱轴承对于风机主轴来说是一种更好的轴承布置形 式。
靠近齿轮箱的一列
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应力比较——靠近轮毂的那一列
双列圆锥轴承的游隙是预紧的，提供了很好的静态 和动态刚性
双列圆锥加圆柱的方案还有以下好处：
减小主轴的轴向偏移
调心滚子轴承模型
工况 圆锥滚子轴承模型
应力比较——靠近齿轮箱的一列
最大程度提高系统的刚度
由于优化了预紧，最大程度地提高承载区和轴承调 整寿命
在低速运转时，滚子出了承载区后会失去附着力 和滚动速度，从而由保持架推动他们，当滚子重新进 入承载区后，在受载情况下重新获得附着力和滚动速 度，滑动和斑点剥落可能会发生。这种滑动和剥落会 进一步造成滚道和滚子在那些点处的大面积磨损。同 时这也会对承载区油膜形成带来不利影响。
另外，这种滑动和剥落会带来很大的滚道/滚子次 表层拉剪应力。这种拉应力，结合拉伸环应力，残余 热处理应力以及滚动接触应力可以造成过早的轴向裂 纹的形成。即使有足够的油膜或者抗极压添加剂来防 止金属和金属的接触，滚子的滑动也可以带来同样大 拉伸应力。
浮动端轴承
主轴运转过程中的分析比较
图2 给出的是一个典型风机上叶片受力图
图 1 主轴轴承
2
作用于轮毂的力和 力矩
方案 1：双列圆锥+ 圆柱轴承
双列圆锥滚子轴承
圆柱滚子轴承
调心滚子轴承
调心滚子轴承
图 3 主轴模型
方案 2：调心滚子轴承+调心滚子轴承
图 2 载荷分布情况
轴承使用ISO VG320黏度的油脂进行润滑，运行 温度假定40摄氏度。
双列圆锥优化过的滚道形状可以在比较高的偏心情 况下正常运行
致谢
结论
我们真挚地感谢Gerald Fox先生对本文的指导和 贡献。
风机主轴轴承布置包括固定端和浮动端，双列圆 锥加圆柱的方案相比两个调心轴承的方案有着很大的 优势，因为：
双列圆锥提供非常好的径向和轴向承载能力
预紧的双列圆锥改善了承载区从而更好地分配了载 荷提高了样本寿命
预紧的圆锥轴承在运行时是纯滚动从而减小滚子滑 移
减小了轴向偏移从而降低滚道发生疲劳损坏的风险
调心滚子轴承模型
工况 圆锥滚子轴承模型
图 10 调心轴承和圆锥轴承滚道应力的比较
减小了轴向偏移从而在静载下降低假性压痕的可能 性
减小了轴向偏移从而降低了轴向挤压齿轮箱输入轴 的风险
在当量载荷工况下双列圆锥的应力大小在所有情 况下都比较好，调心轴承的应力要比圆锥轴承大。对 于靠近转子那一列调心滚子来说，在一些运行工况下 几乎没有应力，因为这一列没有承载。
一列滚子不承载会带来很多问题，包括：
调心滚子轴承的承载能力降低，样本寿命降低
由于单列承载会引起系统的轴向承载，滚子端面和 挡边可能接触，这会带来更多的发热量，对润滑， 轴孔配合及寿命的影响会更加复杂
不承载的一列滚子一直由保持架推动，几乎没有滚 动，这会造成滑移滑动以及先前提过的相应的问题
在静载情况下发生假性压痕
cr 9090 10200 8060 7020
0.500 轴向预紧 0.300 径向游隙 0.200 径向游隙 0.100 径向游隙
主轴模型
表 2 轴承参数比较
表 2 给出了所选轴承的参数
图3给出了用于轴承系统分析的主轴模型。 力Fx, Fz以及扭矩My，Mz作用于离固定端轴承 2000mm的壳体中心。来自风的水平力Fy和Fz相比 非常小，因此在我们的分析中忽略不计。轴承之间的 跨距为1000mm,齿轮箱重量（在我们的分析中假定 200000N）作用于离固定端轴承2500mm的轴端。
在运行中，一个径向力主要来自重力，一个水平 力主要来自风。轮毂的轴向力和倾覆力矩来自叶片。 用来做分析比较的工况是由恒速16转/分下500多种不 同受力情况合成的一个当量载荷工况。
工况编号
1 2 3 4 5 6
Fx N)
250 000 250 000 250 000 250 000 250 000 250 000
7
www.timken.com.cn
2009 铁姆肯公司 中国印刷 07-09 编号：5872C
轴向偏移
使用圆锥轴承的模型
图 4 主轴变形
位置 使用调心轴承的模型
风机的主轴既有径向偏移，又有轴向偏移。实际 上，主轴的轴向偏移直接传递到齿轮箱的输入轴。除 非对调心轴承的径向游隙，轴向游隙控制以及行星轮 的定位做特别处理，否则轴向的偏移会对齿轮箱里行 星架支撑轴承有不利的影响。
结果显示装了预紧双列圆锥轴承的主轴变形要比 装了调心轴承的小，有两个原因：
技术论文
一端轴承浮动，另一端轴承固定的风机主轴
固定端是双列圆锥滚子轴承的设计与固定端是调心滚子轴承的设计
作者：Laurentiu Lonescu，Thierry Pontius
概述
目前在风机主轴位置上固定端使用一个双列调心 滚子轴承的方案并不是一个值得优先考虑的，并且在 未来的设计中应该要避免。虽然没有一个确定的公 认的最大极限值，但是一般认为所允许的双列调心滚 子轴承承受的轴向力和径向力的最大比值在 0.15 和 0.20 之间。也就是说，轴向力只能是径向力的 15% 到 20%，在某一些应用中这个比值可以达到 0.3 甚 至0.35，但可能会出现一列不受力，两列应力不均， 滚子倾斜，保持架变形，产生过多的热量，滚子斑 点剥落等情况。由于风机主轴固定端轴承的受力比例 一般在0.6 左右，这会导致只有一列承受径向力及轴 向力，也就是说轴承无法按照原来设计的方式进行运 转，因此必须要考虑其他的固定端的轴承方案来提高 性能和可靠性。
轮毂
主轴
固定端轴承
齿轮箱
本文主要讲述了在风机主轴位置一端采用双列圆 锥滚子轴承，另一端采用圆柱滚子轴承方案的好处。 分析表明使用预紧的双列圆锥滚子轴承可以提高主轴 的刚性，从而减小轴承滚道和齿轮箱输入零部件发生 假性压痕的可能性。预紧并优化的内部游隙甚至可以 确保在最极端风力情况下很好的系统稳定性，滚道的 形状经过优化后甚至可以在非常大的偏心情况下正常 使用。
时间 (%)
27.50 22.50 8.25 6.75 19.25 15.75
Type 位置
基本尺寸 [MM]
径向额定载荷 平均安装游隙
[Hn]
[mm]
内径
双列圆 锥轴承 750
固定端
调心 轴承
750
圆柱 轴承 710 浮动端
调心 轴承
710
外径 宽度 1040 320 1090 335 1030 236 1030 236
图3在中心线上给出了布置双列圆锥和圆柱轴承 的方案，在中心线下给出的是两个调心轴承的方案。
分析结果比较
工况
1 2 3 4 5 6 权重
调整寿命 L10a (小时)
固定端
浮动端
TDI 224000
SRB 107000
CRB
SRB
15000000 2800000
6500000 8700000
>1E+8 16520000
347000 120000
31500000 4800000
10900000 18000000
>1E+8 >1E+8
225000 108000
15100000 2850000
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
653000 8700000
>1E+8 16500000
420000 197000
27300000 4800000
表 3 调整寿命
甚至双列圆锥轴承的额定承载能力低于调心轴承 的情况下，圆锥轴承由于可以预紧，所以它的表现要 强于调心轴承。预紧可以改善两列滚子间的载荷分布 情况和承载区。
轴的变形
调心滚子轴承模型
图 5 节点1主轴径向偏移
工况 圆锥滚子轴承模型
图 4 给出了主轴径向变形和位置的关系曲线
轴变形 - 工况1
请注意相同的载荷下，轴在节点1处的径向偏移 圆锥加圆柱方案要小 25% 到 30%。