无齿轮电机：具有改进性能的密封调心滚子轴承

本产品聚焦介绍了轴承的多项改进，现在用 -RS 后缀指定。

该论文发表于  马德里 2016，垂直运输技术国际大会，并首次发表在 IAEE 书中 电梯技术21，由 A. Lustig 编辑。 经国际电梯工程师协会许可转载  （网站：www.elevcon.com）。

SKF 密封 Explorer 球面滚子轴承（《电梯世界》，2016 年 20 月）安装在世界上最新的无齿轮牵引机上，可支持这些电梯电机固有的节省空间和节能特性。与上一代轴承相比，新型密封轴承可减少高达 XNUMX% 的轴承摩擦，有助于降低建筑能耗。采用这种新型密封设计，轴承可显著降低运行温度，极限速度可达到以前设计的两倍。由于它们可以在更低的温度下运行，因此根据运行条件，润滑间隔可延长两倍，从而减少油脂消耗，甚至可以实现免润滑解决方案，进一步降低电机对环境的影响和维护成本。

介绍

在新的建筑施工中，电梯制造商正在转向无机房 (MRL) 和无齿轮曳引机设计，以在更紧凑的解决方案中实现高速和更高的能效。 MRL 设计代表了一半以上的新电梯单元，并在市场上占据主导地位。

SKF 密封调心滚子轴承，如图 1 所示，能够满足电梯和曳引机制造商的需求。 使用滚柱轴承代替滚珠轴承，电机设计者可以提高无齿轮机器的承载能力，同时保持甚至缩小轴承布置的尺寸。

近年来，悬架系统的发展也取得了进展。 两个例子是 Schindler 的芳纶绳和 Otis 的平带。 与传统钢丝绳相比，此类产品具有不同的弯曲性能和更小的弯曲半径。 这对滑轮和绳索之间的弯曲比有直接影响，允许使用较小的滑轮，从而提高电梯牵引电机的速度。

最近的电梯制造商趋势是优化无齿轮曳引机的范围，类似于“一刀切”的方法。 主要范围是增加应用的灵活性，例如，使用相同的电机在恒定负载下覆盖更宽的速度范围，甚至使用相同的电机覆盖更宽的速度和负载范围。

上述两种趋势都会对轴承的功能和性能产生重大影响。

使用支持不对中和轴偏转的密封球面滚子单元的特点是线接触运行条件，而不是球轴承的点接触。 这使得球面滚子轴承在紧凑性和承载能力方面成为最佳解决方案。 但是，提高电机速度可能会产生以下影响：

• 增加摩擦，这可能会增加能源消耗
• 轴承温度升高，这可能会缩短轴承寿命
• 达到轴承极限转速

新密封设计的开发

与 SKF 密封解决方案部门和 SKF 开发中心合作进行的自调心轴承研发的主要范围是创建旨在优化密封摩擦和锚固的新设计，同时保持主要密封性能，如密封能力和油脂滞留。 通过减少摩擦，产品性能在润滑剂寿命、限制速度和能源消耗方面得到改善。

设计标准在项目开始时就已明确定义。 从该基线开始，SKF Sealing Solutions 通过不同的分析（如有限元模型）相应地优化了密封唇设计。 图 2 和图 3 显示了唇缘接触压力和密封应力的建模结果。

平衡多个参数可以优化密封唇形状，以保持密封能力并减少摩擦。 降低摩擦会降低轴承运行温度，并因此提高润滑脂寿命和轴承部件的整体寿命。

除了优化密封唇形状和压力外，密封头本身和外圈凹槽形状也必须重新设计。 SKF 决定引入与任何金属成型操作无关的三唇设计。 凹槽和密封件之间的接触是通过橡胶与金属接触完成的。 进行了多次迭代以微调最终解决方案。 考虑到安全系数 2，创建并使用了一个保守模型。在第二步中，定义了保持要求以验证密封头和外圈凹槽设计。

在开发新的密封类型时，SKF 还对密封唇设计进行了标准化，从三种不同的设计（带有后缀“-CS”）到只有一种（带有后缀“-RS”），如图 4 所示。

这种变化导致了生产能力的优化和生产中变体和组件数量的减少。 此外，采用单密封锚固设计也将减少将密封头组装到外圈槽中时的锚固类型和锚固变异。

新的 -RS 设计适用于孔径主要在 25 至 120 毫米之间的小型密封调心滚子轴承系列。 对于更大的孔径，-CS 设计仍将是球面滚子轴承密封版本的标准。

验证测试和结果

测试验证的概述可以在表 1 中找到。

摩擦测试

摩擦测试仅在密封件上进行。 范围是查看新密封设计与当前设计相比的影响。

根据密封摩擦测试的结果定义了新的极限速度。 新限制取决于密封件尺寸，并与新的最大密封唇速度限制 10 mps 相关联。 图 5 说明了 -CS 和 -RS 设计在 200 rpm 和极限速度下的一个测试样品之间的相对密封摩擦。

新的密封设计仅在密封上减少了高达 50% 的摩擦。

整个轴承的摩擦减少也通过计算得到验证。 图 6 是执行计算的示例。

轴承摩擦最多可减少 20%。

在测试台上对完整轴承进行了额外的温度测试，以更好地了解应用中的优势。 在轴承上施加 C/P = 10 的载荷（其中 C 是轴承的基本额定动载荷，单位为千牛顿，P 是当量的轴承动载荷，单位为千牛顿）。 测试以不同的速度运行。 这个典型的速度测试能够显示不同速度下较低摩擦的影响； 结果如图 7 所示。

根据应用条件，轴承运行温度最多可降低 20°C。 这种减少将对润滑脂寿命产生积极影响，并可能增加两倍。

封印能力

为确保新的密封设计保持与当前设计相同的污染物排除功能，进行了一次典型的亚利桑那灰尘测试。 测试规格如下：

• 速度: 极限速度的三分之一
• 粉尘类型：亚利桑那州灰尘等级 A2，通过 ISO 12103-1 认证
• 粉尘量: 腔室容积的 10%
• 测试持续时间: 168 小时。
• 测试顺序: 运行 8 小时，停止 16 小时。

测试结论表明，新设计的密封能力得以保持。

油脂滞留

已在两种不同的测试中评估了润滑脂保留率：外圈旋转测试和高速测试。

测试了三种不同的轴承尺寸，并评估了油脂泄漏。 结果表明，保持了润滑脂保留，观察到的润滑脂泄漏量低于 1 g。

错位能力

自调心球面滚子轴承当前允许的不对中为 0.5°。 由于新的密封轮廓不同，有必要检查是否保持了不对中能力。 验证是通过计算和测试来验证性能的。 结果表明，未对准能力保持在最大 0.5°。

密封锚地

如图 8 所示，进行了三种不同的测试，以确保密封头在外圈凹槽中的最佳密封锚固。

旋转扭矩

在处理过程中，轴承可能会出现超过 0.5° 的不对中。 该测试的范围是检查密封件在正常处理过程中可能受到的力的影响，并将其与 SKF 验收标准进行比较。 结果如图 9 所示。

新的密封锚固符合 SKF 验收标准。

保持扭矩

该测试的范围是检查在凹槽中旋转密封件所需的力。 为了验证对保持扭矩的影响，在凹槽中使用干槽、润滑脂和/或防腐剂进行了测试。 结果示例如图 10 所示。

新的密封锚固符合 SKF 保持扭矩验收标准。

推出力

推出力被用作一个标准，以确保如果轴承注满油脂，密封件不会弹出，而是释放轴承内圈和密封唇之间的油脂。

润滑脂被推入轴承外圈上的一个孔中，另外两个孔被堵塞。 所有过多的润滑脂在密封唇和内圈之间泄漏，因此在推出力方面满足 SKF 验收标准。

结语

随着与传统钢丝绳相比具有不同弯曲特性的替代悬挂系统的最新发展，电梯市场产生了一种使用更小滑轮并以更高速度运行的新电梯牵引电机概念。 此外，为了优化他们的无齿轮电机系列，电梯制造商的目标是在应用中实现更高的灵活性，电机覆盖更广泛的速度和负载。

考虑到这两种趋势，SKF 不得不调整自己的产品并在应用中增加更多的灵活性。 这是通过开发和验证通过全新低摩擦密封设计提高性能的新型密封调心滚子轴承实现的。 由此产生的操作特性和客户利益列于表 2 中。

通过减少摩擦和潜在的工作温度，润滑脂寿命可以增加两倍，因此，与上一代相比，再润滑间隔延长了两倍。 这大大减少了润滑脂的使用——减少了对环境的影响——和维护需求。 根据操作条件，大多数应用程序可以被认为是免维护的。

在节能方面，摩擦减少转化为显着降低二氧化碳排放量。 对于重型电梯中的典型无齿轮牵引电机，用新优化的设计更换两个密封的 SKF Explorer 轴承每年最多可以减少 2 公斤的二氧化碳排放量。 在电机的 2 年生命周期中，总计达到 100-T。 减少二氧化碳排放。

后缀 -RS 是新一代轴承的特征，将涉及孔径在 25 至 120 毫米之间的小型球面滚子产品范围。

致谢

特别感谢 SKF AB 的 Henrik Wickberg 在该项目的不同开发阶段提供的支持。

www.skf.com