太浦河泵站水泵導(dǎo)軸承分析研究

太浦河泵站水泵導(dǎo)軸承分析研究

摘要太浦河泵站的水導(dǎo)軸承具有轉(zhuǎn)速低、承載力大的特點(diǎn)，同時(shí)軸承又采用與水平面呈斜150布置的方式，受力復(fù)雜。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真模擬水泵裝置內(nèi)部流態(tài)后，提出承載力要求，比較選用稀油潤(rùn)滑的導(dǎo)軸承，本文對(duì)塞德瓦公司的軸承結(jié)構(gòu)和受力要求進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞水導(dǎo)軸承油膜承載力

1水泵特點(diǎn)太浦河泵站總流量300m3/s，裝6臺(tái)斜150軸伸泵，泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程，是國(guó)內(nèi)最大的特低揚(yáng)程大流量泵站。該水泵葉輪直徑，轉(zhuǎn)速73r/min；水泵與電機(jī)采用齒輪減速箱的傳動(dòng)方式，異步電機(jī)功率1600kW，轉(zhuǎn)速1000r/min；在齒輪減速箱的兩端均有齒式聯(lián)軸器，各設(shè)備的軸向力和徑向力分別由本身的軸承承受，除扭矩外各力不相互傳遞。2水泵軸系受力分析計(jì)算水泵軸系受力斜150軸伸泵有兩個(gè)軸承，近葉輪端的為水導(dǎo)軸承，出水端的為推力徑向組合軸承。軸承受力考慮下面幾種工況，軸系受力詳見(jiàn)圖2-1。靜水工況：流道內(nèi)充滿了水，但水泵未啟動(dòng)，此時(shí)軸承承受水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量、水的浮力。正常運(yùn)行工況：水泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，除上述力之外，軸承還要承受水泵裝置非穩(wěn)定流的水動(dòng)態(tài)力(f2)、軸向水推力(fZ)、葉輪靜不平衡力(f3)、泵軸撓度引起的離心力(f4)。飛逸工況：水泵斷電而且快速閘門(mén)、多葉拍門(mén)失效，水泵進(jìn)入水輪機(jī)工況，并發(fā)生飛逸，此時(shí)須考慮導(dǎo)致各部件離心力的增加，出現(xiàn)泵軸的扭振現(xiàn)象，對(duì)軸承產(chǎn)生沖擊力。其原因是水泵進(jìn)入水輪機(jī)工況，葉輪的葉柵繞流會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫流，產(chǎn)生葉輪上較大的水壓脈動(dòng)，致使葉輪壓力側(cè)軸對(duì)稱(chēng)速度場(chǎng)的破壞而導(dǎo)致很大的徑向力，從而軸承也承受較大的脈動(dòng)力矩。正常工況受力計(jì)算由于斜軸伸泵呈斜式布置，受力狀態(tài)較臥式和立式水泵要復(fù)雜，水泵軸承同時(shí)受水平分力和垂直分力。水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量和浮力、泵葉輪的靜不平衡力和泵軸撓度引起的離心力由制造廠根據(jù)機(jī)械加工的技術(shù)要求提出，而因水流引起的不平衡力以及壓力脈動(dòng)則比較復(fù)雜，以往因缺乏有力的計(jì)算工具，通常按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，誤差不易分析，也難以分析不平衡力產(chǎn)生的原因。為此太浦河泵站工程建設(shè)指揮部、設(shè)計(jì)院、清華大學(xué)共同合作，進(jìn)行計(jì)算機(jī)水泵裝置整體三維粘性流動(dòng)模擬分析計(jì)算，模擬葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水泵及進(jìn)出水流道內(nèi)部不同工況下的流動(dòng)特性如壓力、速度分布規(guī)律及泵特性曲線，以及流道內(nèi)部的旋渦分布和水力損失情況。同時(shí)進(jìn)行了導(dǎo)葉和葉輪水流相互干涉引起的三維不穩(wěn)定流動(dòng)分析，得到了葉輪在不同工況下受到的軸向水推力及徑向水推力在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的變化規(guī)律。正常工況運(yùn)行時(shí)，葉輪受到縱向和橫向不穩(wěn)定徑向力，約噸,徑向力變幅約噸。水壓力脈動(dòng)的頻域能量主要集中在轉(zhuǎn)頻、3倍轉(zhuǎn)頻、5倍轉(zhuǎn)頻上，高頻的能量相對(duì)較小。葉輪端的水導(dǎo)軸承主要承受軸系的徑向力，出水端的推力組合徑向軸承主要承受軸向水推力和部分徑向力。葉輪和泵軸重約t，綜合計(jì)算和分析，水導(dǎo)軸承受力不小于26t。由于國(guó)內(nèi)多個(gè)泵站的斜軸伸泵出現(xiàn)過(guò)水導(dǎo)軸承損壞情況，所以對(duì)水導(dǎo)軸承的選擇做更為仔細(xì)的分析研究。3水泵導(dǎo)軸承型式選擇水泵導(dǎo)軸承有水潤(rùn)滑、油脂潤(rùn)滑、稀油潤(rùn)滑三種。水潤(rùn)滑軸承通常采用工程塑料或橡膠，油脂潤(rùn)滑和稀油潤(rùn)滑采用巴氏合金比較多。由于水的粘滯系數(shù)較低，對(duì)低速、重載軸承不容易形成油膜，所以不予選用。太浦河水泵的導(dǎo)軸承承載力大，須選用滑動(dòng)軸承。油脂和稀油兩種潤(rùn)滑方式都可以用于滑動(dòng)軸承。典型的油脂潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-1，該種型式的軸承在日本的荏原和日立公司生產(chǎn)的斜軸伸式水泵上使用比較多，國(guó)內(nèi)的斜300軸伸泵上也使用，葉輪直徑多數(shù)在左右。油脂潤(rùn)滑有許多優(yōu)點(diǎn)但也有不足一面，概括a.粘附性好，能附著在摩擦表面，不易流失或飛濺。b.特別適合滾動(dòng)軸承，注油方便，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不需注油，維護(hù)工作量小。c.密封性好，可以防止外界塵土侵入軸承。d.散熱性差，不能像稀油那樣對(duì)摩擦副進(jìn)行循環(huán)冷卻，故不適宜高速轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承。e.其流動(dòng)性差，內(nèi)摩擦阻力大無(wú)法形成動(dòng)壓油膜，對(duì)大部分滑動(dòng)軸承不適用。斜軸伸泵一般使用極壓鋰基潤(rùn)滑脂，這是以十二羥基硬脂酸高粘度精制礦物油，并加多種添加劑。它具有良好的泵送性，較好的耐極壓性，抗水性亦比較好，其它各方面的綜合性能都比壓延機(jī)潤(rùn)滑脂優(yōu)越。稀油潤(rùn)滑的特點(diǎn)是流動(dòng)性好，易形成動(dòng)壓油膜；散熱性好，可以在高速、重載的軸承中使用。在立式水泵、貫流式水輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的滑動(dòng)軸承等方面廣泛使用。經(jīng)過(guò)比選，業(yè)主單位、設(shè)計(jì)院、無(wú)錫水泵廠選擇了西班牙塞德瓦公司的船用滑動(dòng)軸承。

4稀油潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)和油品滑動(dòng)軸承對(duì)潤(rùn)滑油的要求有以下幾點(diǎn)a.適當(dāng)?shù)恼扯?。承載力大、速度低，選用粘度高的潤(rùn)滑油。對(duì)于動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承，油的粘度要求較嚴(yán)格，因?yàn)檎扯茸兓瘯?huì)影響油膜厚度。b.具有較高的散熱性，傳導(dǎo)軸承因摩擦產(chǎn)生的熱量，使軸承保持較低溫度和熱平衡。c.較好的抗氧化安定性，以免潤(rùn)滑油因高溫氧化而結(jié)焦，以免破壞油膜造成故障。d.較好的油性，以保證在啟動(dòng)時(shí)或改變荷載的情況下，避免油膜破裂而干摩擦。通常稀油潤(rùn)滑選用透平油比較多，考慮泵站潤(rùn)滑油品使用的統(tǒng)一性，更考慮到極壓齒輪油的運(yùn)動(dòng)粘度遠(yuǎn)高于透平油，在水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)易形成油膜，經(jīng)與制造廠商量，最終選用極壓齒輪油。該油的主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表4-1。表4-1N220重負(fù)荷極壓齒輪油。塞德瓦公司的滑動(dòng)軸承兩端是P型橡膠密封結(jié)構(gòu)，每道密封有兩個(gè)橡膠圈，中間充有壓力油，油壓大于水壓將P型橡膠密封頂起，使水不進(jìn)入油中。制造廠要求油壓大于水壓倍，為此在泵站的一定高度設(shè)置一個(gè)高位油箱，該油箱通過(guò)管路與軸承的進(jìn)油口相連，保證油箱的油壓與水壓有個(gè)恒定差值。因?yàn)楸谜舅皇亲兓?，如油位也隨著調(diào)整，恒定差值很難控制，與制造廠商量后，將油箱安裝在泵站高程的位置，高于最高水位，確保水不進(jìn)入油內(nèi)。整個(gè)軸瓦的長(zhǎng)度是，軸徑，寬徑比為，允許承載力443kN。軸瓦選用巴氏合金材料。雖然軸承的寬徑比較小，但整根泵軸很長(zhǎng)，葉輪以懸臂形式固定在軸上，易產(chǎn)生彎曲，所以采用球型軸瓦底座，可以自動(dòng)調(diào)整偏心，結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖4-1。5稀油潤(rùn)滑軸承的動(dòng)壓油膜和荷載太浦河水泵的特點(diǎn)是低速重載，軸承承載能力和油膜形成是兩個(gè)很重要的條件。由于水導(dǎo)軸承預(yù)留位置比較寬敞，考慮國(guó)內(nèi)其它泵站的水導(dǎo)軸承出現(xiàn)過(guò)事故，斜式布置的軸承受力的特點(diǎn)又未全部了解，所以在軸承的承載能力上盡可能多留有余量?，F(xiàn)選用的軸承最大允許荷載為443kN，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求值，保證軸承運(yùn)行的安全。塞德瓦公司提供了轉(zhuǎn)速與最大允許荷載的關(guān)系曲線，詳見(jiàn)圖5-1?；瑒?dòng)軸承動(dòng)壓油膜的形成與軸承幾何形式、轉(zhuǎn)速、軸的粗糙度等有關(guān)。塞德瓦是專(zhuān)門(mén)制造大型船用軸承的公司，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有經(jīng)驗(yàn)，考慮了形成油膜的結(jié)構(gòu)要求，泵軸表面粗糙度為μm。塞德瓦公司提供了轉(zhuǎn)速與油膜的關(guān)系曲線，從圖5-2中可見(jiàn)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，可以形成動(dòng)壓油膜，最小油膜厚度為。圖5-2最小油膜厚度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線塞德瓦公司還提供了軸瓦承受的壓力曲線圖，在圖中可見(jiàn)軸瓦承受壓力與轉(zhuǎn)速有關(guān)，隨著轉(zhuǎn)速上升，軸瓦承受壓力顯者下降，并且趨向于平緩。在水泵啟動(dòng)過(guò)程中，軸瓦承受最大壓力，10r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，壓力為，為啟動(dòng)過(guò)程中瞬時(shí)受力，塞德瓦公司表示是允許的。7結(jié)束語(yǔ)太浦河水泵的葉輪直徑大，轉(zhuǎn)速低，水導(dǎo)軸承為低速重載，是國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的泵站中轉(zhuǎn)速最低，承受的