郝春娜，丁建阳，翟慎宇

沈阳鼓风机集团工艺部，辽宁沈阳 110869

0 引言

动平衡技术是指旋转机械在与其工作状态相同或相近的转速、安装条件、支承条件和负载情况下，对其进行振动测量或平衡校正的一种平衡方法。经过大量实践数据证明，50%以上的机械振动可以归结为“不平衡”造成的。因此，成功地消除或减小转子不平衡量是降低机械振动的主要手段。压缩机高速轴承是压缩机转子做高速动平衡实验必不可少的零件之一，轴承设计的合理性直接影响着转子高速动平衡的精度，进而影响整台压缩机机组的运转工况。因此，高速动平衡轴承的研制不仅是技术上的要求，也是经济效益的需要。

1 轴承设计的必要性（问题的提出）

随着集团经营规模的不断扩展，市场逐渐的大型化，新产品的不断研发，如何保证透平压缩机转子的不平衡量在一个合理范围数值内成为技术关键。转子的不平衡是所有同行业生产过程中的常见问题，也是诱发转子系统故障的主要原因之一。高速用动平衡轴承由最初的圆瓦到椭圆瓦几个技术时代的变更已经满足不了产品大型化的发展变化。又由于转子的重量、平衡精度、转子的转速不同，转子的支撑端轴径也在相应的变化。因此，一系列轴径轴承的设计成为节约成本的关键，由于产品所用轴承是一对一的关系，而高速轴承不同，必须考虑通用性，从而其设计思路存在区别。而且必须保证同一瓦径的轴承必须满足多种产品的需要。

2 目标的确定

基于沈鼓集团生产制造透平压缩机几十年的经验，通过借鉴国际先进的压缩机制造商经验（美国GE公司、德国西门子公司），以企业引进20t高速动平衡机为切入点，确保设计方案具有高实用性、易互换性、低成本及高安全性的基础上研制、制造出一系列通用的高速动平衡轴承。

3 轴承的特点和工作原理

本次设计的轴承包含可倾轴承和椭圆轴承两大类。依据现有的实际工作，针对半年内所生产的近200根转子高速动平衡情况进行数据分析与跟踪。最终制定设计方案为15种规格的轴承，共26套图纸，其中17套椭圆轴承，9套可倾轴承。包 含 φ325，φ320、φ300、φ225、φ160、φ200、φ240、φ280、φ170、φ160、φ150、φ140、φ125、φ120、φ100共15种规格(其数字代表瓦块推力面内径，即轴端直径)。

轴承是用于精密机械的重要零件之一，其使用方式、方法非常严格。即使是使用高质量的轴承，如果使用不当，都不能达到预期的效果。要想充分发挥轴承的功能，就必须保证其与主轴的尺寸配合。为起到节约成本的目的，同时要保证同一直径的瓦径要满足不同产品的需要。可倾轴承的结构特点：推力轴承是层叠式自动平衡推力的轴承，是由若干个止推块组成，本文由五个止推块组成，相当于三层零件叠放在基环上，止推块与水准块之间通过球面支点接触。其工作原理：当各个止推块载荷不同时，就会引起轴承的不平衡，因止推块受力不均就要偏转，此时可通过上、下搭接的垫块，自动调节每个止推块上的载荷，直到每个止推块上的载荷相同，轴承重新建立平衡状态为止。即在转轴有较大的挠度及支点转角的情况下，各瓦块位置能随之平衡而产生均匀的油膜压力。润滑油自承载盘底部槽口进入轴承内腔，通过瓦块间的空隙和止推盘旋转带入止推瓦块承压面，并由离心力将油带至外圆周，再经控油环上部的排油孔流到轴承体外排出。

4 轴承设计方案（项目实施）

1）首先对新引进的20t高速动平衡机进行研究，通过现场考查两种摆架DH6/DH70的结构，确定出摆架的技术参数。

（1）DH70摆架主要技术参数

最大转子直径 2800mm 最高允许平衡及超转试验转速10000rpm

（2）DH60摆架主要技术参数

最大转子直径 2800mm 最高允许平衡及超转试验转速15000rpm

（3）平衡机的最大油压为280bar

2）轴承设计依据

高速动平衡机对轴承的要求是：安全可靠、运行稳定、抗震性好、使用寿命长。轴承系列化设计的依据和规格分布，对尺寸规范、瓦块接触应力、润滑方式、喷油嘴设计、轴承间隙、轴承承载能力等结构上的关键问题做了详尽分析。

（1）线速度的计算

V=πdn/60（1）式中， V为线速度，m/s；n为转子转速，转/分；d为轴承内径，mm；转子应用于此轴承时，线速度不要太大。

（2）比压值的计算

p=（ 2）式中，p为比压值 ；G-转子重量，kg；d为轴承内径，mm；b为轴承体宽度，mm。

在设计轴承体宽度时要考虑比压值P的范围 。

（3）承载值的计算

m=1-Cb/Cp（3）式中，Cp：瓦块间隙=Rp-Rs；Cb：轴承间隙=Rb-Rs；Rs：轴半径；Rp：加工半径；Rb：轴承安装半径。通过承载值的计算可确定加工尺寸和装配尺寸公差。

（4）宽径比的确定

通过考察平衡机摆架的结构，并结合轴承的结构特点确定轴承的宽径比为0.4为宜，即可确定轴承宽度。

3）轴承的设计

（1）首先考查DH6和DH70两种摆架的结构及与相关尺寸大小，确定出轴承体的外形尺寸大小。

（2）根据摆架的进油位置，确定轴承体的进油位置。

（3）查找相关产品图纸确定出相同直径转子的重量范围和转速范围，记录出相关数据，根据公式（1）、公式（2）、公式（3）计算出所需的各个参数值。

（4）轴承间隙值的确定

通过轴承内径确定轴承的侧隙和顶隙，保证两侧间隙数值相等。轴承侧隙加工过程中，需在中分面上垫纸加工，确保轴承加工工艺的合理性。

（5）椭圆轴承高压顶油面积的计算

椭圆轴承

可倾瓦轴承

S=F/P(4)式中，s为高压顶油面积，m2；F为承受转子的重量，kg；p为顶起转子所需的油压，MPa。通过公式（4）计算出高压顶油面积，从而可确定出圆角的大小及宽度。

根据以上的分析，计算和研究，作出椭圆轴承和可倾瓦轴承，结构如图所示。

5 设计效果应用分析

通过车间现场多根转子实际的高速动平衡的验证，同一轴径轴承即可应用于多种产品，又未出现由于轴承间隙值影响压缩机转子平衡效果的现象，也未出现高压顶油面积不合理而不能拖起转子或引起油膜振动的想象。高速动平衡轴承最终满足了压缩机转子的使用要求，并达到了相同轴径轴承的通用性，且避免了相同轴径轴承重复设计的弊端，增加了使用的可靠性，通用性，从而以高质量、高效率、低成本的加工和工装设计方法来满足产品的使用要求。

6 结论

高速动平衡轴承在压缩机技术中的应用，验证了创新设计方法的正确性和可行性，从项目的提出到解决都得到了其他同事的帮助与支持。最终，为沈阳鼓风机集团转子高速动平衡试验提供方便、快捷的手段，并在今后的大型压缩机进行此设计思路的进一步推广应用。

[1]西安交通大学透平压缩机教研室编著.离心压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1980.

[2]徐宝信，张安琪，谭祯.国内外超高速主轴轴承技术发展研究[J].机械设计与制造，2005(5).

[3]李志刚，张直明.不平衡质量的大小和分布对柔性转子—轴承系统稳定性的影响[J].振动与冲击，1997(1).