FAG精密空压机角接触轴承的预负荷计算方式及运行注意事项

FAG精密空压机角接触轴承的预负荷计算方式及运行注意事项

在高速、高负荷的精密空压机领域，主轴轴承的性能直接决定了整机的效率、可靠性与寿命。作为滚动轴承领域的领导者，FAG的角接触球轴承因其卓越的刚性和高速性能，成为精密空压机主轴承的首选。然而，“工欲善其事，必先利其器”，正确施加预负荷是发挥其性能的关键。本文将深入探讨FAG角接触轴承的预负荷计算方式，并详细阐述运行中的核心注意事项。

一、 预负荷的核心价值：为何“紧绷”才高效？

预负荷，简言之，是在轴承安装时预先施加的一个轴向载荷，使轴承内部的钢球与滚道在无外部负荷的情况下就已处于紧密接触状态。对于精密空压机而言，正确的预负荷能带来三大核心优势：

1.1.提高主轴刚性：​ 预负荷能显著消除轴承内部的游隙，使主轴在承受变化的空气压缩力时，变形量极小，从而保证转子运行的稳定性，减少振动和噪音，提升排气品质。

2.2.控制轴向窜动：​ 空压机转子在高速旋转时会产生轴向力。恰当的预负荷能有效抑制转子的轴向位移，确保叶轮与机壳间的间隙恒定，这对维持空压机的容积效率和防止摩擦损坏至关重要。

3.3.延长轴承寿命：​ 预负荷使钢球在滚道中的运动轨迹更稳定，减少了因游隙造成的冲击和滑动摩擦，同时能抑制高速下的陀螺滑动和自旋滑动，从而在正确的应用下延长轴承疲劳寿命。

二、FAG角接触轴承预负荷的计算方式

预负荷的计算是一个系统工程，需综合考虑轴承型号、转速、工作温度、配合公差及预期的工作游隙等因素。以下是其核心计算逻辑和步骤。

1. 预负荷的施加方式

首先，需明确预负荷的施加方式，因为这直接影响计算：

定位预紧（定压预紧）：​ 使用弹簧等元件施加一个恒定的预紧力。优点是受温升影响小，预紧力稳定，常用于超高速场合。计算相对简单，主要确定弹簧力即可。

定距预紧：​ 通过调整内外圈的轴向相对位置（如使用锁紧螺母、隔套）来施加预负荷。这是空压机中最常见的方式，但计算更为复杂，因为需考虑温升带来的热膨胀对预负荷的影响。

本文重点介绍定距预紧的计算方法。

2. 核心计算公式与参数

预负荷的最终目标是确保轴承在稳定工作温度下，仍能保持一个微小的、有益的“工作游隙”（通常为零游隙或轻微负游隙）。计算的核心是确定在室温下的“安装预负荷”，以抵消工作时的热膨胀差异。

关键公式：

δₜ = α * ΔT * D

其中：

δₜ：​ 因温升引起的径向游隙减少量（mm）。这是计算的关键，因为角接触轴承的轴向预负荷与径向游隙变化量密切相关。

α：​ 轴承钢的线膨胀系数（通常为 12.5 × 10⁻⁶ /°C）。

ΔT：​ 轴承外圈与轴（内圈）的预估温差（°C）。通常外圈温度低于内圈温度，ΔT 约为 5°C - 15°C，需根据空压机的冷却和润滑情况估算。

D：​ 轴承的公称内径（mm）。

计算步骤：

步骤一：确定目标工作游隙（δ_oper）

对于精密空压机，目标通常是在工作状态下达到“零游隙”或轻微的“负游隙”（即预负荷状态）。通常设定 δ_oper ≈ 0。

步骤二：计算热膨胀导致的游隙减少量（δₜ）

使用上述公式，估算出轴承在运行时，因内圈膨胀大于外圈而造成的径向游隙减少量。

步骤三：确定室温下的初始游隙（δ_initial）

轴承出厂时有一个初始径向游隙（可查FAG产品样本）。我们需要的是安装后的初始游隙，它等于出厂游隙减去因过盈配合造成的游隙减少量。

过盈配合造成的游隙减少量 ≈ 轴与内圈配合过盈量的 80%。

步骤四：计算所需的安装预紧量（δ_a）

这是为了抵消热膨胀，确保工作游隙达标所需的、在室温下通过调整隔套长度等方实现的轴向位移量。其与径向游隙变化的关系可通过轴承的接触角α近似换算。对于角接触球轴承，一个简化的关系是：

轴向预紧量 ≈ 径向游隙变化量 / (sinα)

但更精确的做法是使用FAG提供的计算程序或技术手册中的曲线图。

步骤五：将轴向预紧量转换为预负荷力（F_a）

这是最复杂的一步，因为预负荷力与轴向变形量之间是非线性关系。FAG拥有著名的BEAST等专业计算软件，能够精确模拟这一关系。该计算涉及：

轴承的刚度系数

接触角

轴承的排列方式（O型布置、X型布置、串联布置等）

对于无法使用专业软件的情况，工程师需要查阅FAG特定轴承型号的技术数据表，表中通常会提供“轴向位移-预负荷”的对应关系曲线或经验公式。

简化经验参考：

对于中高速精密空压机，预负荷的推荐值通常为轴承基本额定动载荷（C）的 2% - 5%。过小的预负荷无法有效抑制振动；过大的预负荷则会导致温升急剧增加，润滑恶化，寿命显著缩短。

强烈建议：​ 对于关键的空压机应用，预负荷的计算和设定应咨询FAG的技术支持工程师或授权经销商，利用其专业工具和经验，以确保最佳效果。

三、 运行注意事项：确保长效稳定的关键

正确的预负荷设定只是第一步，良好的运行维护是保证轴承长寿命的基石。

1.1.精准安装：

清洁度：​ 安装环境必须无尘。最小的污染物都会导致轴承早期失效。

对中精度：​ 主轴和轴承座必须具有极高的对中精度，任何偏斜都会导致轴承内部负荷不均，产生异响和高温。

工具与方法：​ 必须使用专用工具（如液压螺母、扭矩扳手）进行安装，确保力均匀施加，避免直接敲击。

2.2.润滑管理：

油品选择：​ 必须使用空压机指定的、具有良好热稳定性和抗氧化性的合成润滑油。油品的粘度和油量需严格遵循FAG和空压机制造商的建议。

油路清洁：​ 确保润滑油路畅通，油滤定期更换，防止磨粒磨损。

润滑方式：​ 对于喷油润滑的空压机，要确保油压和油量足够；对于油雾润滑，要保证油雾发生器的稳定工作。

3.3.运行监控：

温度监控：​ 轴承温度是首要监控参数。异常的温升往往是预负荷过大、润滑不良或安装不当的直接表现。应建立温度基线，并设置报警和停机阈值。

振动分析：​ 定期进行振动监测，可以早期发现轴承的潜在故障，如疲劳剥落、保持架损坏等，避免灾难性停机。

噪音监听：​ 运行中出现异常的尖锐或沉闷噪音，应立即停机检查。

4.4.定期维护：

按照维护手册定期检查轴承状态，更换润滑油和滤芯。

在每次大修后重新安装轴承时，都必须重新评估和设定预负荷，因为重复拆装和运行磨损会改变初始状态。

结论

FAG精密角接触轴承是空压机的“心脏”部件，其预负荷的精确计算与设定是一门精密的科学。从理解热力学影响到的复杂公式计算，再到安装调试和日常监控，每一个环节都至关重要。遵循科学的方法，借助专业的技术支持，并辅以严谨的运维管理，才能最大限度地释放FAG轴承的卓越性能，确保精密空压机长期、高效、稳定地运行，为生产提供持续可靠的动力源泉。

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