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軸承知識

某型高壓空壓機異常噪聲的分析與處理

2020-10-15
梁璞玉1,2 何世平1 繆忠輝2 
(1、海軍工程大學動力工程學院,湖北武漢 430033;2、中國人民解放軍第四八一二工廠,安徽安慶 246001)
1 引言
高壓空壓機是軍港或軍械供氣站等場所的主要設備之一,通過空壓機各級氣缸中工作容積的不斷變化,對吸入的空氣進行壓縮,從而產生具有一定壓力的壓縮空氣??諌簷C啟動后,壓力逐漸升高,其產生的綜合活塞力通過活塞、連桿及曲軸部件傳遞給滾動軸承,滾動軸承再通過其安 裝孔傳遞給兩端支撐的曲軸箱和軸承座上,最后通過空壓機支腳傳遞給安裝基礎]??諌簷C工作時,滾動軸承與其安裝孔之間有交變的作用力,同時為了降低空壓機的振動和噪聲等指標,一般既要控制曲軸的徑向跳動,也要控制曲軸的軸向竄動,即要限制曲軸在徑向和軸向上的運動而不能發生大的位移變化量。
2 異常噪聲的現象及原因分析
某型高壓空壓機在首臺樣機開始試運行的過程中,逐漸出現間歇性的異常噪聲,且隨著末級背壓的升高,噪聲值有加大的趨勢,且當時除了噪聲異常外,空壓機仍能“正常”運行。在發現此異?,F象后,工廠工程技術人員第一時間到現場進行查驗、分析?;诖丝罡邏嚎諌簷C結構緊湊和出現異常噪聲現象的特點,經初步判斷,可能有如下幾個方面的原因:
(1) 組合氣閥。由于各級的氣閥均為組合閥,在工作過程中,其進、排氣閥片或彈簧片可能出現了局部斷裂或破損,在高頻率的吸氣和排氣過程中,發出間歇性的空氣噪聲;
(2) 風扇葉片。因風扇與曲軸采用錐面配合,且冷卻風扇的葉片直徑較大,在曲軸帶動風扇做高速旋轉的過程中,由于其錐面加工誤差、裝配質量、葉片剛度以及動平衡等因素的綜合影響,風扇葉片振幅過大導致與其周圍物體有輕微的摩擦,進而產生間歇性的機械噪聲;
(3) 軸承缺油。曲軸主軸頸處安裝滾動軸承的供油量不足,在高速旋轉時,滾動軸承出現了干摩擦或局部結構性損傷而產生的異常噪聲;
(4) 軸承公差與配合。曲軸主軸頸處安裝滾動軸承的公差與配合不當,在高速旋轉時,滾動軸承松動后出現了間隙而產生的異常噪聲。
3 異常噪聲的排除過程及方法
在綜合考慮了該設備的保障性和經濟性的前提下,同時盡量縮短故障排除的時間,在進行故障排查前,制定了排查步驟:先檢查空壓機外圍的輔助部分,再檢查空壓機的內部結構,即先排查拆卸少的外圍部件,最后排查拆卸多的內部結構。
首先,根據噪聲源的分布情況,通過逐級拆卸各級的氣缸蓋,取出對應級的組合閥,開機檢查并通過前后噪聲的對比,初步判斷異常噪聲不是由組合閥引起的。
其次,根據冷卻風扇的結構特點,先拆掉其周圍的風扇罩殼,開機后噪聲依然存在,后把冷卻風扇及其附屬管路均拆卸下來,開機發現噪聲 依舊,故而判斷異常噪聲也不是風扇葉片引起的。
最后,在空壓機的內部結構上查找原因,因軸承座是通過8個螺栓連接到曲軸箱端部的,故先把軸承座從端部拆卸下來并檢查其內孔安裝的滾動軸承。當軸承座拆卸完畢時,其表面溫度仍有約30益左右,經初步檢視,在滾動軸承的可視表面上均勻布滿了潤滑油,也沒有出現結構損傷及干涉現象,但隨后用手稍用力向外拉動滾動軸承時,即被輕松地拉出來3 mm左右,且同時發現滾動軸承在孔內可以輕微的“晃動”(由表1知此時已為小間隙配合了),后把其一起放入油槽內稍許加熱即可把滾動軸承完全拉出來,此時發現軸承座的內孔表面和滾動軸承的外圓周表面上,且沿著圓周運動的方向上均有明顯的摩擦痕跡,后經檢測,內孔已失圓。
經過分析,初步判斷異常噪聲是由于安裝在軸承座內孔處的滾動軸承出現了間隙配合,并在高速旋轉和力的共同作用下,發生了較嚴重的相 對位移,從而產生了異常噪聲。
4 試驗驗證的過程及方法
在設計空壓機時,尤其是配裝在艦船上的空壓機,一般有質量要求,為了降低機組的整體質量,軸承座等采用鑄鋁合金ZL104,滾動軸承選用進口件,一般為軸承鋼或合金鋼的標準件。當拆卸下來的軸承座降至環境溫度12.5益時,使用內徑千分表測量軸承座的內孔,其最小直徑處的偏差約為-0.013 mm,用杠桿千分尺測量滾動軸承的外徑,其尺寸偏差約為-0.004 mm。調閱軸承座原始設計尺寸,其內孔的極限偏差為覫110(-0.022~0)mm,且沒有標注加工和檢測時的環境溫度要求。經查,當時這個軸承座的加工環境溫度約為15益,記錄的加工尺寸偏差為-0.01 mm。
試驗驗證時,使用油浴法加熱,即分別把拆卸下來的軸承座和滾動軸承放置在同一個油槽內加熱,保溫一段時間后,分別測量油溫在30益、40益、50益及68益時幾個階段軸承座內孔和滾動軸承外徑的尺寸,由于加熱膨脹,內孔和外徑均會變大,并在68益左右時,其內孔偏差增至+0.088 mm,而滾動軸承外徑偏差增至+0.056 mm。由此可知,隨著溫度不斷上升,滾動軸承就由最初的過盈配合,逐漸變成了間隙配合,而且運行過程中交變應力的作用會使間隙值進一步加大。
根據設計的油冷卻器不同,往復活塞式高壓空壓機工作時的油溫也即軸承座內孔處的溫度一般在55耀75益之間,因此,在加工軸承座的內孔時,需要根據加工和檢測時的環境溫度,嚴格控制其內孔的尺寸偏差。
經試驗、記錄,產生異常噪聲的軸承座,其內孔改進前的加熱試驗結果和曲線圖,如圖1所示。由圖1可以看出,當空壓機運行時,由于壓縮和摩擦會產生大量的熱,且配合的2個零件膨脹系數相差較大,當軸承座和滾動軸承的溫度超過27益左右后(即圖1中的C點),軸承座內孔的偏差值就開始大于滾動軸承外徑的偏差值,且隨著溫度不斷升高,雖然滾動軸承外徑的偏差值也變大,但表示軸承座內孔尺寸偏差大小隨溫度變化的A線此后就一直處于滾動軸承外徑尺寸偏差B線的上方,即2個零件間將出現間隙,逐漸松動而產生相對位移,進而形成噪聲源。
5 處理措施
在綜合分析了異常噪聲的排除過程和驗證試驗后,如何有效地解決和控制鑄鋁合金及類似材料的加工尺寸問題,是研究的最終目的。
為此,根據機械設計手冊[4]中提供的鑄鋁合金膨脹系數及所做的驗證試驗,按5益為一個梯度,規定了此鑄鋁合金軸承座內孔的加工原則:即滾動軸承座內孔的加工尺寸,必須考慮加工和檢測時的溫度影響,圖樣上標注的內孔尺寸極限偏差(見圖2)是針對環境溫度為20益時的情況,當加工和檢測時的溫度與20益偏離時,每增加或減少5益,其上、下偏差值就相應增加或減少0.01 mm,依此類推。
根據上述的加工原則并優化軸承座內孔的極限偏差,同時考慮工廠加工場所的實際情況,現給出了5耀35益的環境條件下,統計不同環境溫度時軸承座內孔尺寸對應的極限偏差,詳見表1。
按表1中列出的不同溫度時對應的極限偏差進行零件加工,并隨機抽取數只改進后的軸承座,取其偏差的平均值(加工環境溫度約10益),又進行了同樣的加熱試驗,并記錄了加熱溫度及對應的尺寸偏差情況,其試驗結果與曲線圖見圖3。
由圖3可以看出,在綜合考慮了溫度的影響及優化軸承座內孔的極限偏差后,在軸承座內孔處和滾動軸承的溫度達到70益左右時,其表示軸承座內孔尺寸偏差大小隨溫度變化的A線就一直處于滾動軸承外徑尺寸偏差B線的下方了,即一般空壓機在運行時所能達到的油溫范圍內,基本可以保證2個零件一直處于適度的過盈配合狀態,從而避免了因2個零件間出現間隙,逐漸松動后而產生的異常噪聲現象。
6 耐久性試驗情況
按上述原則和方法加工出的軸承座,在批量裝配使用前,先隨機安裝在一臺空壓機上,并參照GJB 1491-92 《艦用電動高壓往復活塞空氣壓縮機通用規范》 中4.7節的檢驗方法,重新進行了1000 h的耐久性試驗。在整個試驗過程中,沒有再出現類似的異常噪聲,后經拆機檢查,滾動軸承連接緊固,也沒有出現相對摩擦等的痕跡,且在后續批量進行的生產、試驗及銷售的空壓機中,也均沒有一臺空壓機出現之前的異常噪聲現象了。
7 結語
在設備出現故障時,需要根據故障的特點,及時、準確地進行故障預判,通過全面分析故障現象,并結合產品結構原理,客觀準確地判斷故障原因及損害程度,科學地制定排查措施和實施步驟。
通過實例進行總結,可以優化產品設計,使零件的加工過程和質量活動處于受控狀態,同時給重要零件在選用相似或同一類型的材料時提供參考和方法。
來源:《壓縮機技術》2015年第4期
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