盧 波

（曼恩機(jī)械有限公司，江蘇常州 213164）

0 引言

滑動(dòng)軸承中的液體潤滑動(dòng)壓軸承是機(jī)械設(shè)備的重要部件，用于支撐轉(zhuǎn)子等運(yùn)動(dòng)部件，減小作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件之間的摩擦力，減少磨損量。液體潤滑動(dòng)壓軸承主要利用油楔效應(yīng)形成承載油膜，要使動(dòng)壓軸承維持正常的液體摩擦，除了滿足軸承和軸頸工作表面有一定形狀的間隙、軸頸有一定的轉(zhuǎn)速以及合適的潤滑油黏度、供油量等條件外，合理的軸承間隙也是保證形成穩(wěn)定的液體摩擦的重要幾何參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)組安裝或檢修過程中，復(fù)測(cè)徑向軸承的軸承間隙，確認(rèn)軸承間隙在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，是機(jī)組安裝或檢修工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

通過長期的大型透平機(jī)組安裝和檢修實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在可傾瓦軸承，特別是5 塊可傾瓦軸承的間隙測(cè)量過程中，使用不同的方法測(cè)量，測(cè)量結(jié)果會(huì)有差異。尤其是使用抬軸法測(cè)量時(shí)，測(cè)量得到的結(jié)果普遍偏小，或在軸承間隙允許公差范圍的下限。針對(duì)這些問題逐一探討，同時(shí)介紹固定瓦中橢圓軸承和雙油楔軸承的間隙測(cè)量。

1 軸承間隙的定義和測(cè)量理論依據(jù)

軸承間隙一般是指軸承徑向間隙。理論上軸承間隙是指軸承（可傾瓦瓦塊或固定瓦軸承）公切內(nèi)圓柱面直徑與主軸軸頸的直徑之差。除了軸承徑向間隙，軸承還有頂間隙、側(cè)間隙、軸承相對(duì)間隙等概念，本文暫不涉及。

根據(jù)軸承間隙的定義，要準(zhǔn)確測(cè)量軸承間隙，應(yīng)該測(cè)量并計(jì)算軸瓦的內(nèi)圓柱面直徑和軸頸外徑之差。而實(shí)際工作中，受現(xiàn)場(chǎng)條件及場(chǎng)合的限制，并不是都能按這種方法測(cè)出軸承間隙。根據(jù)軸承類型的不同以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，引申出多種測(cè)量軸承間隙的方法。下面就可傾瓦軸承進(jìn)行分析探討。

可傾瓦軸承通常由4～5 塊呈弧形的巴氏合金塊組成，每個(gè)瓦塊工作時(shí)可隨轉(zhuǎn)子載荷的變化而自由擺動(dòng)，在軸頸周圍形成多油楔，以適應(yīng)工況的變化。每塊瓦背弧與軸承殼內(nèi)徑為線接觸，可自行調(diào)整。這種類型的軸承通常用于高速輕載轉(zhuǎn)子的支撐。根據(jù)軸承徑向間隙的定義，對(duì)于多油楔可傾瓦軸承，想要準(zhǔn)確測(cè)量軸承間隙，需要確定所有可傾瓦塊內(nèi)表面形成的公切內(nèi)圓柱面（圖1）。但是可傾瓦塊在軸承內(nèi)并不是連續(xù)分布的，每個(gè)瓦塊可沿瓦背弧在軸承殼內(nèi)作一定程度的擺動(dòng)，因此實(shí)際操作中無法準(zhǔn)確確定瓦面形成的公切內(nèi)圓。

圖1 5 塊可傾瓦軸承的公切內(nèi)圓

2 可傾瓦軸承間隙的測(cè)量實(shí)踐

在實(shí)踐中，最準(zhǔn)確可靠的測(cè)量可傾瓦軸承間隙的方法是把軸承解體，先使用內(nèi)徑千分尺按上下、左右分別測(cè)量不同方向軸承殼內(nèi)徑，再用外徑千分尺測(cè)量每一個(gè)瓦塊的厚度及軸頸直徑。根據(jù)以下公式，計(jì)算出可傾瓦軸承的軸承間隙（圖2）：

圖2 可傾瓦軸承軸承間隙計(jì)算示意

式中，e 為可傾瓦軸承間隙，di為軸承殼內(nèi)徑，s 為瓦塊厚度平均值，d 為軸頸直徑。

但在實(shí)際檢修中，有時(shí)候軸承解體也無法實(shí)現(xiàn)，或轉(zhuǎn)子在機(jī)器中不能拆出，無法準(zhǔn)確測(cè)量軸頸外徑，通過測(cè)量瓦塊厚度及軸頸直徑，計(jì)算得到軸承間隙的方法并不現(xiàn)實(shí)。

這種情況下在工程實(shí)踐中一般采用抬軸法來測(cè)量軸承間隙。使用抬軸法時(shí)，對(duì)于可傾瓦軸承，在靠近軸徑的位置打百分表抬軸所得的數(shù)值與軸承間隙并不完全對(duì)等，抬軸的數(shù)值需要乘以一個(gè)修正系數(shù)才是可傾瓦軸承的徑向間隙。這是由于瓦塊的活動(dòng)性和可傾瓦圓周的不連續(xù)性造成的。對(duì)于4 塊瓦和5 塊瓦的可傾瓦軸承，修正系數(shù)不同。根據(jù)美國石油協(xié)會(huì)《API 建議慣例687》標(biāo)準(zhǔn)（API Recommended Practice 687），對(duì)于可傾瓦軸承，由于抬軸時(shí)軸會(huì)在軸承瓦塊上的某些點(diǎn)產(chǎn)生位移，因此抬軸時(shí)在軸徑位置打百分表所得的數(shù)值會(huì)比實(shí)際軸承間隙大。真實(shí)的軸承間隙與軸上打表數(shù)值之間的關(guān)系可用如下公式表示：

式中，ABC 為軸承實(shí)際的徑向間隙，LC 為抬軸間隙，CF 為修正系數(shù)（表1）。

表1 抬軸法測(cè)量軸承間隙的修正系數(shù)

從表1 可以看出，公式中的修正系數(shù)不僅與瓦塊數(shù)量相關(guān)，還跟軸承的載荷方向相關(guān)。從載荷方向的描述來看，上述修正系數(shù)應(yīng)用的前提是4 塊或5 塊瓦沿軸頸垂直方向呈對(duì)稱布置：載荷方向要么正好在軸瓦上，要么正好在軸瓦中間。而實(shí)際上，由于設(shè)計(jì)上真實(shí)的載荷方向的差異，對(duì)于5 塊瓦的可傾瓦軸承，瓦塊在軸承殼內(nèi)的布置形式并不是固定的。也就是說，對(duì)于5 塊瓦的軸承，可傾瓦并不總是沿垂直方向?qū)ΨQ布置，使用抬軸法計(jì)算軸承間隙，修正系數(shù)0.894 的使用有其局限性。換言之，并不是所有5 塊瓦軸承抬軸時(shí)都能使用0.894 這個(gè)修正系數(shù)。下面修正系數(shù)的推導(dǎo)過程也可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。

2.1 修正系數(shù)的公式推導(dǎo)

根據(jù)軸承間隙的定義，以4 塊可傾瓦軸承為例，當(dāng)軸承瓦塊的曲率中心與軸頸中心重合時(shí)，任意軸瓦表面與軸頸表面距離的2 倍即為軸承間隙（圖3）。對(duì)于多塊可傾瓦，軸頸表面與瓦塊曲率中心外圓接觸時(shí)，軸頸與瓦塊仍未接觸，還會(huì)繼續(xù)下沉，直至與瓦塊相抵；而水平剖分的兩半滑動(dòng)軸承軸頸表面與瓦塊曲率中心外圓接觸時(shí)即停止下沉（圖4）。

圖3 軸頸中心與瓦塊曲率中心重合

圖4 軸頸外圓與瓦塊曲率中心外圓接觸

假設(shè)實(shí)際的軸承間隙為е，軸頸中心自重合點(diǎn)下降至軸瓦表面相抵時(shí)的量為S′。4 塊瓦時(shí)θ=45°，5 塊瓦時(shí)θ=36°。AC 圓弧很短，可近似看作A 點(diǎn)的切線，則△ABC 為∠CAB=90°的直角三角形，線段AB=е/2，BC=S′。

軸頸中心自重合點(diǎn)上升至與軸瓦表面相抵的上升量為S″。

由以上推論可得：4 塊瓦抬軸量S4=S′4+S″4=1.414e；5 塊瓦抬軸量S5=S′5+S″5=1.118e。

因此，可傾瓦軸承的實(shí)際軸承間隙e 與抬軸量S 的關(guān)系為：4 塊瓦時(shí)e=S4/1.414=0.707S4；5 塊瓦時(shí)e=S5/1.118=0.894S5。

2.2 修正系數(shù)的適用范圍

從公式推導(dǎo)可以看出，對(duì)于4 塊瓦的可傾瓦軸承，只有當(dāng)瓦塊按照?qǐng)D4 所示的位置、沿與軸頸垂直的方向?qū)ΨQ布置時(shí)，抬軸的測(cè)量值與實(shí)際軸承間隙才能乘以修正系數(shù)0.707。這與《API建議慣例687》標(biāo)準(zhǔn)（表1）的信息也是能相互印證的。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中，也可以把4 塊瓦的軸承選擇旋轉(zhuǎn)45°，使其中一個(gè)瓦塊的中心正好位于軸頸垂直方向。此時(shí)抬軸的測(cè)量值與實(shí)際軸承間隙之間的修正系數(shù)為1，也就是抬軸所得數(shù)值即為軸承間隙。

對(duì)于5 塊可傾瓦的軸承，公式推導(dǎo)的前提是基于5 塊瓦中有1 塊瓦位于軸頸垂直方向的正下方或者正上方，這樣才能保證公式推導(dǎo)過程中與瓦塊曲率中心相關(guān)的相似三角形角度θ=36°成立。

而實(shí)際壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中，由于考慮轉(zhuǎn)子載荷方向的因素，可傾瓦軸承中5 塊瓦的布置受很多因素的影響，瓦塊的實(shí)際布置并不總是滿足1 塊瓦中心位于軸頸的垂直方向，圖5 顯示了5 塊可傾瓦中實(shí)際布置可能的情況，依次是：1 塊可傾瓦位于軸頸垂直方向正下方；1 塊可傾瓦位于軸頸垂直方向正上方；任何1 塊可傾瓦與軸頸垂直方向都不重合。實(shí)際情況中以圖5c）出現(xiàn)的情況居多，因此對(duì)于使用抬軸法測(cè)量軸承間隙，修正系數(shù)0.894 的應(yīng)用場(chǎng)合極其有限。換言之，5 塊瓦軸承間隙與抬軸量之間的系數(shù)關(guān)系，隨著可傾瓦布置的角度不同，其修正系數(shù)也不同。當(dāng)5 塊瓦中的軸瓦布置是下圖5c）的情況時(shí)，抬軸法的修正系數(shù)就不是0.894。

圖5 5 塊可傾瓦軸承的布置形式

綜上所述，對(duì)于可傾瓦軸承，由于可傾瓦的塊數(shù)不同、可傾瓦最終安裝在軸承座上布置角度的不同，使用抬軸法測(cè)量軸承間隙時(shí)，抬軸所得數(shù)值與軸承間隙之間的修正系數(shù)也不同。

3 固定瓦軸承間隙測(cè)量

固定瓦塊軸承由于其軸瓦位置固定，測(cè)量軸承間隙時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單。在離心壓縮機(jī)、汽輪機(jī)等高轉(zhuǎn)速高精度機(jī)械中，比較常見的多油楔固定瓦塊軸承有圓筒瓦和橢圓瓦。

3.1 圓筒軸承、橢圓軸承的軸承間隙

圓筒軸承間隙的測(cè)量可直接采用抬軸法。在軸承和軸承壓蓋都安裝到位的情況下，在軸承前后的軸頸上（盡量靠近軸承）分別打一塊百分表，抬軸，兩塊百分表數(shù)值的平均數(shù)就是圓筒軸承的軸承間隙。軸承壓蓋安裝到位是考慮軸承殼在壓蓋安裝到位的情況下會(huì)因?yàn)檫^盈配合而有微量變形，只有壓蓋安裝到位才能反映真實(shí)的軸承間隙。

另外，壓鉛法也可以用來測(cè)量圓筒軸承的頂間隙，這種軸承的頂間隙即為軸承徑向間隙。測(cè)量時(shí)，先將軸承上半打開，用直徑約為頂間隙1.5～2 倍、長20～40 mm 的鉛絲或塑料量規(guī)（Plastic gauge）放置在軸頸上。安裝軸承上半以及軸承壓蓋后拆除，鉛絲厚度就是軸承間隙。如果使用的是塑料量規(guī)，通過比對(duì)量規(guī)壓縮后的寬度得出對(duì)應(yīng)的軸承間隙。

橢圓軸承的軸承間隙也可以通過抬軸法或壓鉛法測(cè)得，方法與圓筒軸承一樣。另外，這兩種軸承都可以通過測(cè)量計(jì)算獲得：用千分尺分別測(cè)量軸頸外徑和軸承內(nèi)孔直徑，通過計(jì)算間接得出軸承間隙，橢圓軸承內(nèi)孔直徑的測(cè)量位置如圖6a）所示。

3.2 雙油楔借位軸承、多溝軸承的軸承間隙

這類軸承，軸承間隙只能通過測(cè)量軸承孔內(nèi)徑和軸頸外徑計(jì)算得出。需要強(qiáng)調(diào)的是，測(cè)量軸承孔內(nèi)徑時(shí)，應(yīng)該將相應(yīng)的軸承安裝在軸承座上，并按照裝配要求把緊軸承壓蓋后再測(cè)量。這是考慮實(shí)際裝配過程中軸承壓蓋緊力會(huì)對(duì)軸承殼產(chǎn)生微量變形而形成過盈。

對(duì)于不同類型的軸承，軸承孔內(nèi)徑測(cè)量的位置和角度可以參考圖6。

圖6 軸承孔內(nèi)徑測(cè)量

4 總結(jié)

對(duì)于不同類型的軸承，軸承間隙的測(cè)量方法存在差異。即使對(duì)于同樣的可傾瓦軸承，由于可傾瓦的塊數(shù)不同，使用抬軸法測(cè)量軸承間隙時(shí)，抬軸所得數(shù)值與軸承間隙之間的修正系數(shù)也不同。通過修正系數(shù)公式的推導(dǎo)應(yīng)該注意到，對(duì)于5 塊瓦的可傾瓦軸承，由于抬軸測(cè)軸承間隙的計(jì)算公式中修正系數(shù)有極其嚴(yán)格的適用前提，在實(shí)際安裝和檢修過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮通過測(cè)量瓦塊厚度的方法計(jì)算軸承間隙。抬軸法測(cè)量軸承間隙一般推薦作為重復(fù)測(cè)量或驗(yàn)證、參考手段。必須使用抬軸法測(cè)量軸承間隙時(shí)，應(yīng)注意觀察軸瓦最終安裝后在軸承座中的布置角度，正確理解公式中修正系數(shù)應(yīng)用的前提條件。