为压缩机轴承创造合适的环境

2023-03-04: 来源: 让云

一、为压缩机轴承创造合适的环境

制冷压缩机行业正处于变革之中。这一变化的主旨是开发比当前设计消耗更少能源的更环保、更具成本效益的压缩机，更高效的压缩机。这些都依赖于紧凑、可靠的轴承布置。滚动轴承被认为是高速机器中流体动力轴承的替代品，以减少摩擦功率损失。更高的效率降低了压缩机的电力消耗，从而有助于保护地球资源。

更高的效率还降低了压缩机的生命周期投资成本，提高了产品竞争力。该行业的一个不变因素是对高可靠性的需求，无论是涡旋式、往复式、单螺杆、双螺杆还是离心式压缩机。

二、禁用物质

出于环境原因，现在禁止在新系统中使用 CFC-12 等氯氟烃 (CFC)，并且在现有压缩机中的使用受到严格限制。众所周知，制冷剂中的氯气如果释放到大气中，会导致全球变暖和地球臭氧层的消耗。

氟氯化碳的常见替代品是氢氯氟烃 HCFC-22 以及氢氟烃 HFC-134a 和 HFC-401a，尽管正在考虑使用其他一些化学品。所有这些替代品对环境的破坏都较小，因为它们的氯含量低或不含氯。

然而，这些替代制冷剂不一定是 CFC 的简单替代品。例如，HFC-134a 制冷剂与通常用于 CFC 的天然矿物油不相容。任何制冷剂和油的组合的一个重要特性是相互溶解的能力。由于分子极性的差异，HFC-134a 不溶于矿物油。这种特殊的制冷剂需要多元醇酯 (POE) 或聚烯烃二醇 (PAG) 合成润滑剂。

作为其支持压缩机行业变革计划的一部分，SKF 一直活跃于多个领域。走在这些活动前沿的是 SKF 生命理论，该集团在荷兰的工程与研究中心 (ERC) 进行的研究，以及与 EC 设计圆柱滚子和 BE 设计角接触球轴承相关的设计和制造工作. CARB TM轴承是 SKF 开发的一种紧凑型调心滚子轴承，在高压制冷剂应用中也具有潜力，目前正在进行测试。

三、评估寿命

通过寿命理论改进轴承额定寿命评估对于研究新的制冷和油组合很有价值。该方法认为轴承钢与其他钢材一样具有耐久或疲劳载荷极限，低于该极限时，轴承滚道或滚动元件不会发生疲劳，前提是它们得到充分润滑且不受外来碎屑的干扰。润滑膜厚度太薄或污染物通过滚动接触会导致表面损坏和凹陷，从而增加材料的应力。轴承的持续运行导致损坏表面的后续过度滚动导致疲劳损坏和故障的开始。

经过良好润滑、清洁和防污染保护的轴承的使用寿命比以前的额定寿命评估技术预测的要长得多。在制冷剂压缩机中，润滑清洁度对许多压缩机部件很重要，寿命理论是选择轴承的有用工具。其有效性已通过广泛的实验室和现场测试得到验证，并且正在接受国际标准化组织 (ISO) 的审查。

该理论能够解释轴承承载能力、润滑条件和清洁度等级之间的关系。在压缩机应用中使用它可以使用更少的轴承实现更小、更紧凑的轴承布置。

计算机程序允许工程师在选择轴承时轻松考虑压缩机的工作粘度和清洁度。寿命理论由以下公式表示：

L 10aah = SKF L 10h

其中

L 10aah = 根据 SKF 寿命理论的额定寿命，工作小时数，

a SKF = 基于 SKF 寿命理论的寿命调整系数，

L 10h = 基本额定寿命，工作小时数

系数 a 考虑了轴承中的轴承疲劳载荷极限 P u 、润滑条件 κ 和污染条件 hc 。润滑条件 K 是轴承中润滑剂的实际粘度 n 与轴承在工作温度下所需的最小粘度 n 1 之比。

ERC 已对具有两种油和制冷剂组合的轴承进行了研究。对 HCFC-22 制冷剂/矿物油和 HFC-134a/多元醇酯合成油进行了测试。结果发现，使用新制冷剂和油组合的无氧和无氯环境不会在钢上产生相同的保护性氧化层，也不会在轴承的滚动接触上产生与空气中相同的抗磨损和磨合性能大气或 CFC 制冷剂。

这项研究表明，最小粘度 n 1越大，与在空气中运行或使用 CFC 制冷剂相比，在这些制冷剂中运行的轴承是必需的。初步 ERC 结果表明，与空气气氛相比，HCFC-22 和 HFC-134a 的多元醇酯油所需的最低粘度必须增加一倍和三倍。建议根据这些发现对制

冷剂和润滑剂进行以下调整：

n 1adj = 2n 1，含 HCFC-22 和矿物油

n 1adj = 3n 1 , 含 HFC-134a 和多元醇酯油压缩机中的润滑油被制冷剂稀释，粘度降低。溶解的制冷剂降低了润滑剂在赫兹滚动接触压力下粘度增加的特性。

使 HFC-134a 情况恶化的事实是多元醇酯油的粘度随压力增加自然低于矿物油。这些因素导致润滑轴承的油的实际粘度降低。实际粘度 n adj可以针对制冷剂稀释的影响进行调整。通过为制冷剂条件应用调整后的润滑条件 k adj ，此信息与 SKF 寿命理论一起使用：

K调整= n调整/ n 1调整

寿命理论与 ERC 研究结果相结合，有助于可靠地选择和评估在制冷条件下运行的轴承。它还可以帮助选择压缩机润滑剂和过滤。

四、轴承优势

EC 设计圆柱滚子轴承和 BE 设计角接触球轴承代表了轴承设计、制造和应用技术的最新水平。圆柱滚子轴承具有高承载能力、对数冠状滚子、优化的滚道表面处理和可选的保持架设计，以适应特定的压缩机应用。EC 设计的对数冠状滚子显着降低了轴承不对中的影响，这对压缩机制造商来说是一个关键的制造问题。

这些 EC 设计的圆柱滚子轴承以高运行精度作为标准制造，因此不需要更昂贵的专用、更高精度的轴承。尽管轴承套圈之间存在互换性，但安装时轴承内部游隙几乎没有变化。这些特征允许压缩机制造商通过更小的转子间隙和更容易的压缩机组装来设计高效率。

BE 设计的角接触球轴承还具有高承载能力和 40° 的接触角，可承受高轴向载荷。成对布置的轴承具有高尺寸和运行精度。配对轴承可提供小轴向游隙或预载荷，以满足小压缩机转子运行游隙的要求。BE 设计单列角接触轴承可提供玻璃纤维增强聚酰胺 6,6 保持架或机加工黄铜或压制钢保持架。

在该领域的专业知识已为高速干燥空气螺杆和齿轮驱动的离心式制冷压缩机的高速压缩机轴承配置带来了专利设计。在这方面，轴承具有高速保持架和高运行精度，加上精度水平，使其适用于高达 120 万纳米的转速。角接触球轴承具有特殊的接触角，可以最佳地支撑所施加的压缩机负载和内部离心力。这种高速压缩机布置显着降低了压缩机中的摩擦损失，从而提高了效率，尤其是在部分负载运行期间。

CARB TM的潜力 CARB TM轴承的紧凑尺寸、高负载能力和内部轴向调节能力使其成为高压压缩机的有力候选者。该轴承的笼式版本目前正在氨、NH 3和 HFC-134a 制冷剂中进行测试。CARB TM轴承已用于高压空气和天然气螺杆压缩机。它还提供非金属保持架和减小的内部间隙。这些特性使其对压缩机应用具有吸引力。CARB TM轴承可以替代压缩机中空间有限的圆柱或滚针轴承。

五、评估

还进行了广泛的测试，以评估轴承保持架材料和轴承保护方法与制冷剂的相容性。例如，这些测试表明，圆柱滚子轴承和角接触球轴承中使用的 SKF 机加工黄铜保持架在氨制冷压缩机中的性能令人满意。以前认为铜基合金会与氨气发生负面反应，并且笼子会因相互作用而损坏。试验表明，只要保持架的制造残余应力低，其性能就令人满意。但是，不推荐使用冲压黄铜保持架，因为它可能因成型操作在材料中产生残余应力而导致应力相关开裂。模塑聚酰胺 6，6笼在氨和新型制冷剂方面表现令人满意，在压缩机中得到广泛应用。聚酰胺保持架现在是 EC 圆柱和 BE 角接触球轴承的标准配置。

仍需要进一步的研究和开发，以更全面地了解制冷剂条件对滚动轴承的影响。特别是，需要对所有替代制冷剂进行研究，以验证它们与轴承保持架和防腐材料的相容性。