斯坦福发电机轴承类型、影响因素与应用2024年11月14日

摘要：轴承是斯坦福无刷交流发电机较重要的部件之一。它旨在辅助定子内的转子定位和旋转，因此被视为关键部件之一，必须明确了解其功能行为。当然，较为重要的就是轴承的使用寿命及其相关影响因素。因此，本文审视了康明斯发电机（中国）技术公司旗下品牌斯坦福发电机在考虑采用润滑脂润滑滚动元件的轴承使用寿命时加以考量的一些主要因素。

      斯坦福交流发电机的应用领域可以大致划分为工业和发电机组两大类别。根据应用类型及其环境，轴承可能承受不同类型的负载、振动、污染等，这些因素都会影响轴承的使用寿命。为能在运行参数中容纳这些变量，康明斯提供了多种类型的滚动元件轴承：

      开式深沟球轴承适用于发电机高转速甚至极高转速的运行，而且非常耐用，无需经常维护，结构如图1所示。该类轴承摩擦系数小，极限转速高，尺寸范围与形式变化多样。主要承受径向负荷，也可承受一定量的轴向负荷。

      密封深沟球轴承(GB/T 276—2003)原名单列向心球轴承，是应用较广泛的一种滚动轴承。其特点是摩擦阻力小，转速高，能用于承受径向负荷或径向和轴向同时作用的联合负荷的机件上，也可用于承受轴向负荷的机件上。

      外观尺寸如图2所示。通过轴承座内O型圈的张紧力，大幅提高了外圈抗蠕变性能。因与标准轴承的主要尺寸相同，所以不必对轴承座进行再加工即可互换，保证了安装的便捷性，为降低生产成本做出了贡献。

      电绝缘轴承分为深沟球轴承带涂层轴承圈混合型和圆柱滚子轴承带涂层轴承圈，发电机绝缘轴承安装示例如图3所示。

      电绝缘轴承采用特种喷涂工艺，在轴承的外表面喷镀优质覆膜，覆膜与基体结合力强，绝缘性能好，可避免感应电流对轴承的电蚀作用，防止电流对润滑脂和滚动体、滚道造成的损坏，提高轴承的使用寿命。该工艺不断被改进，绝缘轴承中，在外圈或内圈表面有一层100μm厚的涂层，可承受较高1000 V DC的电压。特殊的喷涂工艺可形成一层厚度均匀、粘附力极强均匀的涂层，再经过进一步处理，使其能不受湿气和湿度的影响。

      圆柱滚子轴承的滚子通常由一个轴承套圈的两个挡边引导，保持架滚子和引导套圈组成一组合件，可与另一个轴承套圈分离，属于可分离轴承。此种轴承安装，拆卸比较方便，尤其是当要求内、外圈与轴、壳体都是过盈配合时更显示优点，安装示例如图4所示。此类轴承一般只用于承受径向载荷，只有内外圈均带挡边的单列轴承可承受较小的定常轴向载荷或较大的间歇轴向载荷。

      该类轴承装有圆台形滚子（大端为球面），滚子由滚道圈（轴圈、座圈）挡边准确引导，设计上使得轴圈和座圈滚道面以及滚子滚动面的各圆锥面的顶点相交于轴承中心线上的一点，单向轴承可承受单向轴向负荷，双向轴承可承受双向轴向负荷。

      Carb圆环滚子轴承是一种全新的径向滚子轴承。该轴承设计独特，结合了球面滚子轴承的自调心能力与圆柱滚子轴承的无限制轴向位移能力。因此，在新轴承系统中的负荷只有外在的径向和轴向力。它还可以具有较小的横截面积，而通常滚针轴承才具备这一特征。

      有多种因素可影响轴承的使用寿命，主要因素包括：轴承负载、轴承结构中的润滑脂类型和用量以及轴承内的污染物类型、体积和规模。在确定轴承使用寿命时，康明斯发电机技术公司采用ISO 281:2007(E)（滚动轴承动态额定负载和额定寿命）标准对负载、污染和润滑脂状况进行考量。为了深入了解这三项因素的本质，康明斯提供了以下简要综述：

      在确定轴承使用寿命时，需要考虑交流发电机轴承在工作期间可能需要承受的静态和动态负载。下文简要解释了这两种类型的负载：

      轴承承受的静态负载类型之一来自于构成交流发电机转子的所有组件的合并重量。转子的典型组件包括轴、联轴器轮毂、风扇、主转子铁芯、励磁转子铁芯和PMG转子（图1）。这些组件的质量均受到重力加载度的影响，从而产生了康明斯通常所说的“重量”。该重量被视为轴承承受的负载之一。轴承承受的另一种静态负载来自于不平衡磁拉力（UMP）。UMP是因转子/定子气隙不对称而导致的磁力。这种UMP作用力同样会施加在轴承上。

      这些负载源于转子的质量受到非重力加载的影响。转子所承受的动态负载可能在交流发电机内部产生，例如非平衡转子，或来自依赖于应用/环境类型的源头。

      发电机轴承位置如图5所示，主要常见类型如图6所示。

       在典型的工业应用中，其环境通常处于静止状态，而交流发电机会承受与发电机组震荡运动相关的加载力。此类运动由发电机组的动态行为驱动发电机出租租赁多少钱一天，通过交流发电机与发电机组和发电机组子结构的连接传输到转子。作用于转子的力度大小取决于转子的质量、发电机组的设计/装配以及发电机组的动态行为。在确定轴承使用寿命时，必须考虑到这些作用力。

      在典型的发电机组应用中，其环境通常处于运动状态，因此交流发电机会承受与动态环境和发电机组震荡运动相关的加载力。出售用于发电机组应用的交流发电机必须能够适应不同海事当局规定的特定发电机组运动（劳埃德、ABS、DNV等）。此类运动将产生动态轴承负载，在确定轴承使用寿命时必须将其考虑在内。

      当滚动元件轴承在正常工作条件下运行时，轴承内运动部件与静止部件之间的距离极小。如果任何来自环境或轴承内部金属磨损的颗粒污染物（小型固体颗粒）进入这些微小空隙，都可能导致滚道出现永久凹痕（金属表面退化），随之可能导致局部应力升高和金属疲劳问题。如果这些颗粒嵌入保持架兜孔中，还会对滚动元件和保持架造成损坏。一般来说，污染会缩短轴承的使用寿命。

      另一种污染是水分渗入。如果水分渗入轴承，即会降低轴承中润滑脂的润滑性能，同时造成金属表面腐蚀。这两种影响都会导致轴承使用寿命减短。

      润滑脂用于润滑滚动元件轴承。在特定轴承中使用的润滑脂类型取决于多项因素，如轴承类型、转速、环境条件、轴承负载和应用要求等。润滑脂中的油分在轴承滚动元件、滚道和保持架之间形成一层薄膜，以减少金属之间的接触频率，从而延长轴承的使用寿命。润滑脂的第二个功能是散逸轴承内部产生的热量。如果轴承无法散热，就可能发生热失控现象，进而导致轴承过早失效。

      就润滑脂而言，另一个重要方面是轴承所需的润滑脂用量。过多的润滑脂会影响散热，从而导致高工作温度。滚动元件（球或滚子）开始搅动润滑脂，对润滑脂造成过度机械使用和结构分解。这将导致轴承润滑不足和轴承过早失效。

      所有润滑脂都有预期使用寿命。该预期寿命受到温度、速度、负载、轴承结构和环境条件的影响。在较高温度下运行的轴承润滑脂氧化速度会更快，导致润滑脂使用寿命减短，因此需要更频繁地进行再润滑。用于环境严重污染的应用（采矿应用和发电机组）的轴承将需要更频繁地进行再润滑。

      轴承的安装、拆卸方法，应根据轴承的结构、尺寸大小和与轴承部件的配合性质而定。安装、拆卸的压力应直接加在紧配合的档圈端面上，不能通过滚动体传递压力，因为这样会在轴承工作表面造成压痕，影响轴承正常工作，甚至会使轴承损坏。轴承的保持架、密封圈、防尘盖等零件很容易变形，安装或拆卸轴承的压力不能加在这些零件上。康明斯发电机技术公司在为各类环境下的众多应用制造和供应优质交流发电机方面拥有出色的记录。该公司持之以恒地致力于从多个方面改进设计，特别是产品及其组成部件的使用寿命，以满足客户不断变化的需求。