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离心泵轴承选型
时间:2021-06-23    点击:33

本例演示了在离心泵改型设计的应用实例中,轴承选择过程

泵制造商希望通过修改叶轮设计来提高现有离心流程泵的效率。 结果导致轴承载荷增大,因此需要检查当前的轴承选型以确认其是否适用设计的变更。 应用结构图如图1所示。

示例的每一步描述都在下面的可展开/下拉部分中。 示例中的步骤遵循轴承选型过程中的顺序。 有关各个步骤的完整说明,请参阅 轴承选择过程

                 

性能和运行条件是:

  • 转速: n= 3 000 r/min
  • 润滑:
    • 方法: 油浴润滑
    • 油的粘度等级: ISO VG 68
  • 浮动端支承,圆柱滚子轴承,NU 311 ECP:
    • 最大径向载荷: Fr = 3,29 kN
    • 预计工作温度: T = 70 °C (160 °F)
  • 固定端支承:一对背对背的通用配对单列角接触球轴承,7312 BECBP:
    • 最大径向载荷: Fr = 1,45kN
    • 最大轴向载荷: Fa = 11,5 kN
    • 预计工作温度: T = 85 °C (185 °F)

遵循泵行业标准,基本额定寿命L10h 在最大载荷条件下应至少为16 000 h。

                 

圆柱滚子轴承作为浮动端支承,一对通用配对单列角接触球轴承则作为固定端支承。

选用NU 类型的圆柱滚子轴承的原因如下:

  • 它可以在轴承内部吸收轴的热膨胀。
  • 由于内圈与带有滚子和保持架的外圈是分离结构,可以简化泵的组装,在内圈和外圈上都使用过盈配合 。

一对通用配对单列角接触球轴承:

  • 具有40°接触角的球轴承非常适用于承受高轴向载荷和中高转速。
  • 轴承背对背布置,内圈夹紧并通过过盈配合安装在轴上。 由于是通过夹紧内圈来控制配对的游隙,所以外圈可以在轴承座凸肩和压盖之间定位,而不需要精确夹紧定位。

两个轴承座的配合面都是在一个夹装位置一次加工而成,保证了良好的对中。 其不对中误差小于2弧分,这在配对角接触球轴承和圆柱滚子轴承是在可接受的不对中误差极限范围内。

结论

当前的轴承类型和配置选择适用于本应用。

                 

已知的运行条件和滚动接触疲劳的影响表明,轴承尺寸应使用基本额定寿命和SKF额定寿命来确定。

NU 311 ECP 的产品参数→ 产品详细信息

基本额定寿命

载荷一节得知,P = Fr。因此载荷比 C/P = 156/3,29 = 47。

轴承尺寸过大。

SKF 额定寿命

1. 润滑条件 - 粘度比,κ

κ = ν/ν1

已知:

  • 润滑油粘度等级 = ISO VG 68
  • 工作温度 = 70 °C (160 °F)

由此从图表 1查得, ν = 20 mm2/s

已知:

  • n= 3 000 r/min
  • dm = 0,5 (55 + 120) = 87,5 mm

由此从图表 2查得, ν1 = 7 mm2/s

则,κ = 20/7 = 2,8

2. 污染系数, ηc

已知:

  • 污染条件是常见污染(即开式轴承,无过滤装置,有磨损颗粒从周围进入)
  • dm = 87,5 mm

由此从表 1查得,ηc = 0,2

已知:

  • Pu = 18,6 kN
  • P = Fr = 3,29 kN (载荷)

则ηc Pu/P = 0,2 x 18,6 / 3,29 = 1,13

3. 寿命修正系数,aSKF

已知:

  • κ = 2,8
  • ηc Pu/P = 1,13
  • NU 311 ECP 是一种 SKF Explorer 轴承

由此从 图表 3查得, aSKF = 50

已知:

  • L10h > 1 000 000 h

然后 L10mh > 50 x 1 000 000 h

然后 L10mh > 1 000 000 h 表明轴承在工作条件下尺寸过大。

最小载荷

基本额定寿命和SKF额定寿命都非常高,超过规定的轴承寿命,这表明轴承可能载荷过小。

为避免圆柱滚子轴承的滚子打滑,用载荷一节的最小载荷公式来计算所需的最小径向载荷Frm,为避免圆柱滚子轴承的滑动和滚子滑动需要提供:

已知:

  • dm = 87,5 mm
  • kr = 0,15
  • n= 3 000 r/min
  • nr = 6 000 r/min

然后 :

Frm = 0,94 kN < Fr = 3,29 kN

结论

轴承尺寸过大或者载荷过小。 可选择:

  • 继续使用当前轴承。 不会有因承载太小而导致轴承损坏的风险。
  • 减小轴承尺寸,降低成本。 考虑以下因素:
    • 保持轴的直径相同,但使用外径较小的NU 2系列轴承NU 211 ECP(产品详细信息)。
    • 假如轴的设计允许(强度和刚度),一步减小轴直径,并使用尺寸较小的NU 2系列NU 210 ECP(产品详细信息)。
    然而,这两种减小尺寸的方案都需要对相邻部件进行设计修改。

                 

已知的运行条件和滚动接触疲劳的影响表明,轴承尺寸应使用基本额定寿命和SKF额定寿命来确定。

7312 BECBP 产品参数 → 产品详细信息

基本额定寿命

来自配对轴承的承载能力

C = 1.62 C单轴承 = 1,62 x 104 = 168,5 kN

来自载荷, 背对背配置的配对轴承:

Fa/Fr = 11,5/1,45 > 1,14

因此使用:

P = 0,57 Fr + 0,93 Fa = (0,57 x 1,45) + (0,93 x 11,5) = 11,52 kN

因此载荷比 C/P = 168,5/11,52 = 14,6。 

SKF 额定寿命

1. 润滑条件 - 粘度比,κ

κ = ν/ν1

已知:

  • 润滑油粘度等级 = ISO VG 68
  • 工作温度 = 85 °C (185 °F)

由此从 图表 1查得, ν = 13 mm2/s

已知:

  • n= 3 000 r/min
  • dm = 0,5 (60 + 130) = 95 mm

由此从图表 2查得, ν1 = 7 mm2/s

则,κ = 13/7 = 1,8

下一个较高粘度等级,ISO VG 100,将使κ= 2.5。但是这将导致NU 311 ECP轴承的κ > 4,特别是在冷启动期间会产生不需要的高κ值。

2. 污染系数, ηc

已知:

  • 污染条件是常见污染(即开式轴承,无过滤装置,有磨损颗粒从周围进入)
  • dm = 95 mm

然后,使用 表1,ηc = 0,2

已知:

则ηcPu/P = 0,2 x 6,4/11,52 = 0,11

3. 寿命修正系数,aSKF

已知:

  • κ = 1,8
  • ηcPu/P = 0,11
  • 7312 BECBP是 SKF Explorer轴承

由此从 图表 4查得, aSKF = 5

已知:

  • L10h = 17 400 h

然后 L10mh = 5 x 17 400 = 87 000 h

结论:

配对的7312 BECBP SKF Explorer轴承的尺寸合适。

                 

该泵采用油浴润滑。 由于有维护间隔时间长的需求,这是典型的工艺泵。 在这种泵中,为了简单起见,固定和非固定端支撑轴承由相同的油浴润滑。

如以前的步骤所确定的那样,一对角接触球轴承的κ为1.8,而圆柱滚子轴承的K为2.8,因此所选择的油的粘度等级是足够的。

                 

确定是否需要详细的热力分析(热平衡),检查方法是:

  • 转速小于轴承限制转速的50%:
    • 这适用于浮动端支撑。
    • 在固定端,该值是56%,这略高于极限。 也就是说,配对单列角接触球轴承,极限转速降低20%(允许转速), 因此3 000/(0,8 x 6 700) = 0,56。
  • ?载荷比 C/P > 10:
    • 这对于固定和非固定端支撑是正确的。
  • 没有明显的外部热量输入:
    • 泵安装在环境温度为20至30°C的环境中(70至85 °F)。
    • 泵介质处于环境温度,所以没有额外的热量流向轴承。

因此,不需要进一步的热力分析。

                 

由于轴承上的载荷会增大,因此对泵进行设计修改时,必须检查轴承位的公差,以确保轴承以足够的配合安装。

考虑到标准钢轴和铸铁轴承座,轴承载荷,速度和温度都在标准条件下,您可以采用标准条件的轴承位公差

轴公差

您可以分别在表2表3中 找到径向球轴承和径向滚子轴承对应的轴承位的轴公差。

已知:


NU 311 ECP 7312 BECBP
旋转条件 内圈旋转载荷 内圈旋转载荷
P/C 比 0,02 0,07
内径 55 mm 60 mm

查得结果:

轴承 尺寸
公差
总径向
跳动公差
总轴向
跳动公差
Ra
NU 311 ECP k6? IT5/2 IT5 0,8 μm
7312 BECBP k5? IT4/2 IT4 0,8 μm

轴承座公差

在运行过程中发生的任何磨损都可能引起叶轮的不平衡,并导致两个轴承外圈上的载荷方向不确定。

表4中可以找到用于径向轴承轴承位的铸铁和钢制轴承座公差。

已知:


NU 311 ECP 7312 BECBP
旋转条件 不确定的载荷方向 不确定的载荷方向
P/C 比 0,02 0,07
外径 120 mm 130 mm

查得结果:

轴承 尺寸
公差
总径向
跳动公差
总轴向
跳动公差
Ra
NU 311 ECP K7? IT6/2 IT6 3,2 μm
7312 BECBP K7? IT6/2 IT6 3,2 μm

轴向定位

当前设计具有适当的轴向定位。 确保定位角接触球轴承内圈的锁紧螺母有足够拧紧力。 定位时,沿圆周均匀施加夹紧力,并考虑挡肩尺寸的干涉(产品详细信息)。 为了避免内圈变形,获得配对轴承预期的轴向游隙,必须对夹紧力作限制。 对于离心泵,推荐的夹紧力限制在0/4 (19 kN)。

                 

检查初始内部游隙

当前设计使用正常初始游隙, 轴承内圈和外圈的配合,以及内圈和外圈之间的温差为 10 °C (20 °F),可能减少内部游隙。 对内部间隙的其他影响可以忽略不计。

1. 初始内部游隙


NU 311 ECP 一对 7312 BECBP
最小 /平均/ 最大 40 / 55 / 70 μm 22 / 32 / 27 μm

轴承数据。 从表 5 中获得的值。 轴承数据。 从 表6中获得的轴向值,转换为径向(轴向x tan 40°)。

2. 过盈配合引起的游隙减量

使用:

Δr配合 = Δ1 f1 + Δ2 f2 (过盈配合引起的游隙减量

获得的值用于:

  • 系数,f1 和 f 设计2 (图 6
  • 用于轴的初选配合,Δ1 (表 7
  • 用于轴承座的可能配合,Δ2 (表 8

查得结果:



NU 311 ECP 一对 7312 BECBP
d/D
0,46 0,46
f1
0,78 0,78
f2
0,86 0,86
Δ1 最小 /平均/ 最大 -32 / -19 / -6 μm -26 / -16 / -6 μm
Δ2 最小 /平均/ 最大 -20 / 0 / 20 μm -21 / 1 / 23 μm
Δr配合 最小 /平均/ 最大 -42 / -15 / -5 μm -38 / -12 / -5 μm

3. 温差引起的游隙减少

使用:

Δr温度 = ΔT dm x 12 x 10-6 (由于轴、轴承圈和轴承座之间的温度差导致的游隙减少)

查得结果:


NU 311 ECP 一对 7312 BECBP
dm 87.5 mm 95 mm
Δr温度 -11 μm -11 μm

4. 工作游隙


NU 311 ECP 一对 7312 BECBP
最小 /平均/ 最大 
-13 / 30 / 55 μm -27 / 17 / 4 μm

对于圆柱滚子轴承,通常不推荐负游隙(即预紧)。

配对角接触球轴承的平均工作游隙应接近零(介于小间隙和轻预紧之间),特别是当配对轴承主要承受轴向力时。 其所需范围小:

  • 限定预紧 - 限制摩擦(摩擦增加会导致温度升高,粘度比下降,从而降低轴承寿命
  • 限定游隙 - 避免球打滑。

该手动计算不考虑配合表面的平滑,载荷下的弹性变形,也不考虑同时发生极值的概率。

使用更先进的SKF软件分析,给出工作游隙结果:


NU 311 ECP 一对 7312 BECBP
最小 /平均/ 最大 3 / 34 / 59 μm -10 / 11 / 24 μm

这些结果表明普通组内部游隙是合适的。

选择保持架

考虑到估计的工作温度为85°C(即两个轴承支承的较高温度),转速远低于极限转速,并考虑到供货情况和价格,确认标准滚动体引导的尼龙保持架是适用的。

由于历史原因,在某些地理区域,黄铜保持架是角接触球轴承的首选。 这些都是SKF可提供的标准配置。 这也适用于圆柱滚子轴承。

结论

浮动端支撑:

目前用于离心泵的产品详情轴承是合适的。 作为替代方案,可以使用产品详情轴承。 有可能缩小轴承尺寸。

轴承形式由轴承型号的后缀描述(型号系统)。

型号后缀:


后缀 说明
内部设计 EC 优化的内部设计,装有更多和/或更大的滚子,经改良的滚子端面与挡边的接触,旨在减少摩擦
保持架设计 P 玻璃纤维增强 PA66 保持架,滚动体引导

M 机削黄铜保持架,铆接,滚动体引导
游隙等级 普通组

定位端支撑:

当前在离心泵中选用的配对通用匹配的产品详情轴承是合适的。 作为替代方案,可以使用产品详情

轴承形式由轴承型号的后缀描述(型号系统)。

型号后缀:


后缀 说明
内部设计 B 40°接触角

E 优化的内部设计,加强型滚动体组合
外部设计/游隙等级 CB 通用配对轴承;两个轴承背对背或面对面布置;普通组轴向内部游隙
保持架设计 P 玻璃纤维增强 PA66 保持架,钢球引导

M 机削黄铜保持架,钢球引导

                 

密封

当前的泵设计采用径向轴密封,把润滑油保持在泵中的油池中,并保护轴承免受污染(图1)。

可以使用SKF HMS5(图2)或HMSA10(图3)(HMS5和HMSA10密封件)。 该密封适用于油脂润滑和油润滑的应用场合。 密封采用丁腈橡胶混合材料,其温度范围和速度能力适合于泵的运行条件。

关于轴和轴承座孔规格的更多信息,请参阅径向轴密封件: 静态和动态性能

当密封配合面出现磨损现象,您可以用耐磨衬套来修理轴,如SKF Speedi-Sleeve

轴承的热安装

轴承用过盈配合安装在轴上,并在轴承座上采用过渡配合。 通过将轴承内圈加热到100°C(210°F),轴承座加热到50°C(160°F),可以轻松安装轴承。 在加热内圈时,请使用SKF感应加热器或电热板(用于安装和拆卸的加热器)。

轴对中

为了使泵的寿命最大化,泵和电动机必须精确对中(对中工具)。

现有的轴承可用于新叶轮设计中。

建议减小圆柱滚子轴承的尺寸。

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郭生
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