鄭鄒興

（福建聚力電機有限公司，福建莆田 351100）

0 引言

大型大功率高轉(zhuǎn)速發(fā)電機通常選用滑動軸承，滑動軸承相較于滾動軸承具有承受沖擊負(fù)荷好、承受轉(zhuǎn)速高、維護(hù)方便、噪聲小、壽命長等特點。但對于負(fù)載大、轉(zhuǎn)速高的滑動軸承，散熱問題非常關(guān)鍵。

滑動軸承的冷卻方式分為五種：自然冷卻（N 型）、油池中水冷卻（W 型）、循環(huán)泵和自然冷卻（U 型）、循環(huán)泵和油池中水冷卻（T 型）、外部供潤滑油循環(huán)冷卻（Z 型）。其中，自然冷卻（N 型）無需增加任何冷卻系統(tǒng)，成本最低，但冷卻效果較差；循環(huán)泵和油池中水冷卻（T 型）冷卻效果最好，但需要增加冷卻系統(tǒng)（循環(huán)泵和油池水冷系統(tǒng)），成本較高；而循環(huán)泵和自然冷卻（U 型）相對來說冷卻效果好，且只增加一個循環(huán)泵，因此應(yīng)用較為廣泛。

根據(jù)循環(huán)泵和自然冷卻的工作原理及特點、介紹循環(huán)泵和自然冷卻系統(tǒng)在發(fā)電機上的應(yīng)用，進(jìn)而討論循環(huán)泵和自然冷卻系統(tǒng)的改善方案。

1 滑動軸承工作原理

如圖1 所示，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸在重力的作用下，沿著ω 方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)電機穩(wěn)定運行時，高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與滑動軸承的軸瓦之間形成一層油膜[1]?；瑒虞S承自帶甩油環(huán)，甩油環(huán)由于重力的作用，與高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸接觸，并在摩擦力的作用下隨之轉(zhuǎn)動，滑動軸承儲油槽內(nèi)的潤滑油附著在甩油環(huán)上，隨之被甩到轉(zhuǎn)軸上，并沿著轉(zhuǎn)軸表面繼續(xù)形成新的油膜（圖2）。由于油膜的存在，使得轉(zhuǎn)軸與軸瓦被完全隔開。由于兩摩擦表面被油膜隔開而不直接接觸，摩擦因數(shù)極小，可以顯著減少摩擦和磨損，但液體摩擦仍然存在。轉(zhuǎn)軸與軸瓦高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高溫傳導(dǎo)至潤滑油，并由潤滑油帶走[2]。

圖1 滑動軸承油膜形成機理

圖2 滑動軸承潤滑機理

2 U 型冷卻系統(tǒng)工作原理

如圖3 所示，U 型冷卻工作原理：在液壓齒輪泵的作用下，滑動軸承中的高溫油由出油口，經(jīng)過液壓齒輪泵進(jìn)入冷卻器管道中，并在電動馬達(dá)風(fēng)扇的作用下，將外部環(huán)境中的冷風(fēng)吹過冷卻器管道，將冷卻器管道中的高溫油熱量帶走，使高溫油變成低溫油，經(jīng)過滑動軸承的進(jìn)油口，再次回到滑動軸承中，沿著軸瓦，一部分直接形成油膜，一部分直接流回滑動軸承的儲油槽中，降低滑動軸承內(nèi)的油溫，從而降低滑動軸承的油膜和整體溫度[3]。

圖3 U 型冷卻工作原理

3 U 型冷卻系統(tǒng)特點

U 型冷卻系統(tǒng)相較于自然冷卻（N 型）系統(tǒng)增加了一個自然冷卻循環(huán)泵（空油冷卻器），見圖4，從而提高了冷卻效率，且相較于T 型冷卻系統(tǒng)減少了油池水冷系統(tǒng)，大大降低了冷卻系統(tǒng)的成本。

圖4 冷卻器安裝示意

U 型冷卻系統(tǒng)的自然冷卻循環(huán)泵也有其自身特點。從設(shè)計角度考慮，自然冷卻循環(huán)泵在結(jié)構(gòu)上增加了兩個元件：溢流閥和止流閥（圖5）。

圖5 冷卻器溢流閥和止流閥安裝位置

如果冷卻系統(tǒng)管路中滑動軸承的進(jìn)油口發(fā)生堵塞，而循環(huán)泵又一直處于工作狀態(tài)，循環(huán)泵右側(cè)管路一直處于正壓狀態(tài)，且壓力持續(xù)增加，如果油壓超過冷卻管路所能承受的范圍，管路將會被油壓壓爆。為防止上述情況的發(fā)生，冷卻循環(huán)泵中增加了一個溢流閥。如圖6 所示，如果管路發(fā)生堵塞，溢流閥將保證循環(huán)泵右側(cè)油壓不會持續(xù)增加。

圖6 溢流閥安裝位置

當(dāng)冷卻循環(huán)泵不工作時，滑動軸承進(jìn)口的潤滑油由于重力作用流到滑動軸承的儲油槽中，整個冷卻系統(tǒng)管道的潤滑油都會流到滑動軸承中，直至發(fā)生漏油。因此，冷卻系統(tǒng)管道中增加一個止流閥。如圖7 所示，即使冷卻循環(huán)泵停止工作，由于止流閥的存在，冷卻系統(tǒng)的潤滑油也不會一直流入滑動軸承，避免漏油。

圖7 止流閥安裝位置

4 U 型冷卻系統(tǒng)安裝方式

U 型冷卻系統(tǒng)只增加一臺冷卻循環(huán)泵，且冷卻循環(huán)泵的外形尺寸與發(fā)電機相比也不大（圖8）。

圖8 冷卻循環(huán)泵外形尺寸

U 型冷卻系統(tǒng)的第一種安裝方式：直接將冷卻循環(huán)泵安裝于發(fā)電機的端蓋上（圖9）；第二種安裝方式：在發(fā)電機定子機殼上焊接一套支架，用于安裝冷卻循環(huán)泵（圖10）。對于一些端蓋處需要安裝過渡節(jié)的機型，該安裝方式不影響過渡節(jié)的安裝[4]。

圖9 冷卻循環(huán)泵安裝方式一

圖10 冷卻循環(huán)泵安裝方式二

5 U 型冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)

盡管自然冷卻循環(huán)泵自帶止流閥，在冷卻循環(huán)泵停止工作時，可以防止冷卻系統(tǒng)中的潤滑油回流到滑動軸承中。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻循環(huán)泵停止工作一段時間后，滑動軸承中潤滑油出現(xiàn)液面上升的情況。

經(jīng)過分析認(rèn)為，止流閥以后的區(qū)域與大氣連通，會進(jìn)行氣體交換。從止流閥到滑動軸承進(jìn)油口之間油管中的潤滑油（圖11所示區(qū)域）與大氣進(jìn)行氣體交換，會順著油管流入滑動軸承中，也會使滑動軸承中潤滑油的液面上升，同樣存在漏油的風(fēng)險[5]。

圖11 與大氣連通的油管區(qū)域

經(jīng)過實際測量計算，冷卻器油管的內(nèi)徑d≈9.5 mm，設(shè)定出油管長度2.5 m，計算得出殘留在油管中的油量為3.14×9.52×2500/4≈0.177 L。要求滑動軸承的油位控制在視液鏡的1/3～2/3處，對于最小號的9#滑動軸承要求為2.8 L，如果客戶遵照油位控制要求，0.177 L 的回油量對滑動軸承不會導(dǎo)致漏油（圖12）。

圖12 滑動軸承潤滑油液位高度要求

但對于未遵守油位要求的客戶，目前U 型冷卻系統(tǒng)設(shè)計仍然存在的風(fēng)險是：從止流閥到滑動軸承進(jìn)油口之間油管中的潤滑油回流到滑動軸承中導(dǎo)致漏油。因此仍有必要對U 型冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，徹底避免油管中的潤滑油回流到滑動軸承中。

由于原冷卻循環(huán)泵自帶的止流閥無法改變位置，為防止?jié)櫥突亓鞯交瑒虞S承中，在滑動軸承的進(jìn)油口處增加一個止流閥（圖13）。

圖13 改進(jìn)后止流閥安裝位置

6 結(jié)語

滑動軸承冷卻系統(tǒng)直接影響滑動軸承的性能和壽命，滑動軸承應(yīng)用循環(huán)泵和自然冷卻（U 型），既保證了發(fā)電機滑動軸承的冷卻效率，又不會增加很多成本。