电机的使用者经常会向电机工程师提问,电机轴端到底可以承受多大负荷?貌似简单的问题,不过要说清楚还是需要一些方法的。
在讨论之前,我们需要把电机转矩负载的情况说清楚。电机所能带动的转矩负载是和电机电磁转矩是相匹配的。此处的电机转矩特性和电机负载转矩相平衡,有专门的电气计算方法,不在本文的讨论范围内。
本文讨论的是电机轴端承受最大轴向力和径向力的计算方法。
首先,我们看电机轴系受力图,以内转式卧式电机为例。
图中:
左边1号轴承,为定位轴承,位于轴伸端;
右边2号轴承,为浮动轴承,位于非轴伸端;
电机轴端受到的径向负荷为Fr;
a为轴端受力点距离轴伸端1号轴承的距离;
b为轴伸端轴承距离电机转子质心的距离;
c为电机转子质心距离2号轴承的距离。
由此,我们可以算出1、2号轴承径向负荷Fr1和Fr2:
假设图中轴承均为深沟球轴承,电机轴承寿命要求是L1和L2
我们知道:
其中:
C1为1号轴承的额定动负荷;
C2为2号轴承的额定动负荷。
因此,我们可以得到:
将(3)代入(1),将(4)代入(2)得到:
此时,我们得到两个径向力的值。一个是由1号轴承的C 1和寿命L1计算出来的,另一个是由2号轴承的C2和L2计算出来的。
从两个轴承的受力来看,随着轴端径向力的增加,1号轴承承受较大的向下的径向力,并且随之增加。此时2号轴承,在径向力小于Gb/a的时候,随着径向力的增加,轴承受到向下的径向力减小。当轴端径向力超过这个值的时候,2号轴承承受向上的径向力。并且随着轴端径向力Fr的继续增加,向下的径向力会越来越大。
以上分析可见,1号轴承随着轴端径向力的增加单调下降,而2号轴承随着轴端径向力的增加,先增加在下降。
作为轴系考量,两个轴承的最小寿命就是这个轴系的设计计算寿命。因此在这种工况下,1号轴承所计算的公式(5),应该是这个轴系所称承受的最大径向负荷。
一、从式(5)可以看出,轴伸端受力的位置对承受径向负荷的能力有所限制,a值越大,所能承受的最大径向负荷越小。也就是说,电机轴伸端承受径向负荷的距离越远,其最大承受能力越小。
二、1号轴承的额定动负荷,决定了轴端最大径向负荷能力。也就是说,1号轴承负荷能力越大,轴端承受径向负荷的能力越大。1号轴承选的越大,轴端允许的最大径向负荷越大。
三, 对1号轴承的寿命要求越长,轴端最大径向负荷能力越长。
四, 在Gb/a以下的径向负荷会使2号轴承负荷变小(寿命计算随之变大),但是当这个值小于轴承形成滚动所需要的最小负荷的时候,2号轴承会出现提前失效。这不是表面下疲劳失效,也不是寿命计算的目标,是通过最小负荷计算得到的。
通过以上的方法,电机工程师可以类似的推出轴向力的情况,立式电机的情况等等。
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