用于制冷螺杆压缩机的轴承径向预紧机构

【中国制冷网】摘要：在电机直驱式制冷螺杆压缩机中，通常将电机直接安装于压缩机阳转子吸气端的延伸段上。同时，为确保整个轴系具有较高刚度，需要在该位置布置两个串联的圆柱滚子轴承。然而经分析，这一结构中的圆柱滚子轴承存在较高的打滑风险。因此，舍弗勒工业应用部流体与气动团队提出了一套轴承径向预紧机构，有效地解决了这一问题，确保了轴承及压缩机的可靠性。

关键词：径向预紧，螺杆压缩机，轴承打滑，轴承摩损，电机直驱，制冷

应用背景

在目前的电机直驱式制冷螺杆压缩机的典型结构中，通常采用如图1中所示意的阳转子结构形式，即将电机（左侧）直接安装于压缩机阳转子吸气端的螺杆延伸段上，电机驱动轴即为压缩机阳转子。但由于该位置为悬臂梁式结构，且受到压缩气体所产生的载荷及螺杆和电机自重等影响，在运转过程中阳螺杆整个轴系会产生如图1中红色曲线所示的挠度，即径向位移。而为了更好地控制阳螺杆齿顶间隙和确保电机运转安全，需要确保整个轴系具有较高的刚度，通常采用的其中一个解决方案为如图2所示，即在阳转子的吸气端位置（图1红色虚线方框所示位置）布置两个串联的圆柱滚子轴承。

图1 阳转子轴系径向位移

图2 阳转子吸气端轴承布置形式

在阳转子吸气端位置设置两个串联布置的圆柱滚子轴承之后，该位置的轴承刚度得到加强，对于提高整个轴系的刚度，尤其是对减小悬臂梁位置径向位移具有一定的帮助。然而，在实际应用中，使用了以上结构的轴承布置之后，客户普遍反映有一定比例的压缩机存在噪音偏大，甚至发生振动上升及轴承摩损失效的案例。

案例分析

舍弗勒工业应用部流体与气动团队基于客户反映的情况和提供的信息，结合多年轴承应用的经验，对该问题进行了深入的分析和计算。发现该轴承布置存在下述缺陷，从而导致了客户所反映的问题。

1. 由于轴承不可避免的存在制造公差，如：轴承游隙公差、内圈内径公差和外圈外径公差等。受此影响，该位置的两个圆柱滚子轴承不可能平均承受吸气端的径向载荷，即其中一个轴承必定承受更大的载荷，而另一个承受较小的载荷。因此，即使阳转子吸气端位置的径向载荷满足该位置两个轴承所组成的轴承对的最小载荷要求，仍存在其中一个轴承因载荷不足而发生打滑的风险。

此外，基于计算分析，这两个轴承之间的载荷分配受轴承制造公差影响较大，在某些极端工况下，甚至出现单个轴承承载，而另一个轴承完全卸载的情况。因此，轴承具有较高的打滑风险，容易引发噪音增大，甚至轴承摩损及振动上升的情况。同时，如出现上述的极端工况下单个轴承承载的情况，则阳螺杆整个轴系刚度并没有因为串联了两个圆柱滚子轴承而得到加强，反而使得整个系统的可靠性受到影响。

2. 更为重要的是，随着市场对压缩机能效的日渐关注，某些型号的制冷压缩机在正常运行过程中设置了诸如节能模式等类似的最小负载状态用以降低能耗，且该状态下运行的时长占到总运行时长的比例较高，而在类似状态下，载荷有较大幅度的降低，导致无法满足轴承的最小载荷要求，从而进一步增加了轴承打滑的风险。

结合上述两点问题，我们发现客户所反映的问题主要归因于阳转子吸气端两个或其中一个串联布置的圆柱滚子轴承因未承受足够载荷而存在较高的打滑风险。

当圆柱滚子轴承承受一定的径向载荷时，如图3所示，承载区内的滚动体将承受载荷，而非承载区内的滚动体不承受载荷。同时，承载区内的滚动体由于受到载荷及内圈旋转运动的影响，自进入承载区开始被加速滚动，直至被加速到与内圈保持同步，而当滚动体离开承载区，进入非承载区开始，由于不再承受载荷，其旋转速度逐渐降低，直至再次进入承载区被加速，期间滚动体旋转速度可能降为零。在非承载区内，滚动体并非纯滚动，与内外圈滚道存在相对滑动，但由于不承受载荷，因此滑动摩擦并不严重。相反，在承载区内从滚动体开始被加速直至达到最大速度（达到与内圈滚道的同步速度）这一区域可被称作加速区，在加速区内，由于滚动体还未被加速至与内圈同步，其与内外圈滚道也存在相对滑动，且滚动体需要承受载荷，因此，滑动摩擦较为剧烈，如润滑状况未达到要求，则轴承存在较高的摩损风险。

此外，当圆柱滚子轴承承受不同径向载荷的情况下，承载区内的滚动体被加速的效应也有所不同。当轴承承受足够载荷的情况下，滚动体被很快加速至与内圈同步。而当载荷较小，甚至低于轴承的最小载荷要求时，滚动体加速迟缓，加速区增大，可能出现滚动体始终未被加速至与内圈同步的极端状况，轴承摩损的风险进一步增大。因此，确保该位置上两个串联的圆柱滚子轴承均承受足够的载荷至关重要。

解决方案

针对以上问题，舍弗勒工业应用部流体与气动团队提出了一套行之有效的解决方案，即在压缩机阳转子吸气端增设一套轴承径向预紧机构。可对该位置的两个串联圆柱滚子轴承施加适当的预载，避免轴承打滑风险，并通过对预载位置和预载大小的调整来优化载荷分配，从而提高轴承及压缩机的可靠性。

该径向预紧机构的具体结构如图4所示，即在两个串联布置的径向轴承之间设置一个连接部件（如：更小尺寸的轴承），通过一系列定位部件（如：隔圈或套筒）将其轴向定位，再使用圆周方向上一个或多个预紧弹簧对该连接部件施加径向预紧，最后用预紧螺栓固定预紧弹簧。

图4 轴承径向预紧机构

通过调节预紧力的大小和方向，两个串联的径向轴承在反作用力的作用下被预紧，从而避免轴承打滑风险并优化径向载荷分布。预紧力方向可通过预紧弹簧在圆周方向上的位置选择来作调整，而预紧力大小则可通过选择预紧弹簧的数量及弹性率或调整预紧螺栓旋紧程度进而调整预紧弹簧压缩量来实现。

结论

该套轴承径向预紧机构会在一定程度上增加压缩机制造成本，但其可以有效避免因轴承打滑而造成的噪音增大，甚至轴承摩损及振动上升的问题，从而确保轴承及压缩机的可靠性。同时，相比于在轴承上添加涂层或对轴承进行表面黑化处理等其他解决方案，该预紧方案由于直接避免了轴承打滑风险，因此具有更高的可靠性，且更加经济实惠。

目前，该轴承径向预紧机构方案已获得多家客户的认可，并正积极开展合作，进行具体实施方案的研发。如您遇到类似问题并寻求解决方案，欢迎致电舍弗勒工业应用部门流体与气动团队，我们将基于您的需求，为您提供详细的解决方案。

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