彈性支撐推力軸承在大型立式泵機(jī)組中的應(yīng)用

魏強(qiáng)林

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200)

0 引言

連云港市臨洪東站位于連云港市新浦區(qū)，為沂沭泗洪水東調(diào)南下配套工程，承擔(dān)薔薇河流域1054 km2抽排任務(wù)。該泵站原安裝ZL－30－7型軸流泵配TDL－3000－40/3250型同步電機(jī)12臺套(2臺備用)，總裝機(jī)容量36000 kW。2009年對該泵站進(jìn)行更新改造。改造后的12臺主泵選用3100ZLB30－2.93型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，配套的TL2000－48/3250立式同步電動機(jī)，單機(jī)流量30 m3/s，設(shè)計揚(yáng)程3.6 m。

1 彈性支撐推力軸承的結(jié)構(gòu)

圖1 彈性支撐推力軸承

臨洪東站的機(jī)組改造中，采用了彈性支撐推力軸承。彈性支撐推力軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。主要由推力頭(包括鏡板)、圓形推力瓦、碟形彈簧、承板等部件組成。推力頭與鏡板一體化，由45號鋼鍛制成形，鏡板面經(jīng)精密機(jī)械加工和拋光。推力瓦為圓形，瓦面采用巴氏合金，背后聯(lián)有一固定軸，起水平方向限位作用。碟形彈簧為薄型鋼板沖壓成形，呈空心圓臺體。上、下兩平面經(jīng)過機(jī)械精密加工研磨，高度誤差在0.01 mm以內(nèi)。推力瓦背后小軸固定于承板的孔內(nèi)，軸上的密封圈使推力瓦在水平方向有微量移動，有利于推力瓦與鏡板之間油膜的形成和保持。

2 彈性支撐軸承的應(yīng)用分析

2.1 推力瓦間受力分析

大型立式水泵機(jī)組運(yùn)行時，電機(jī)推力軸承的每一塊推力瓦，都承受著一定的軸向力。推力瓦與鏡板摩擦產(chǎn)生的熱量使推力瓦溫度升高。當(dāng)油缸冷卻器內(nèi)冷卻水帶走的熱量與軸承摩擦產(chǎn)生的熱量達(dá)到一致時，各部溫度趨于平衡穩(wěn)定。根據(jù)規(guī)范要求[2]，大型立式水泵機(jī)組電機(jī)滑動推力軸承安裝，要求所有8塊推力瓦工作面在一個水平面上，保證鏡板水平，所有推力瓦受力均勻。根據(jù)現(xiàn)有的安裝條件，規(guī)定鏡板水平最大誤差不超過0.02 mm/m。而在實際工程中，由于泵站站房受到上下游水位差變化、站房基礎(chǔ)不均勻沉降等因素的影響，進(jìn)一步加大了推力瓦和鏡板的不水平度。

彈性支撐推力瓦在瓦底部采用了蝶形彈簧支撐，剛度大大減小。當(dāng)推力瓦高度差在0.02 mm時，蝶形彈簧可使各塊推力瓦不均勻受力程度控制在10%范圍內(nèi)[2]。這種推力軸承的蝶形彈簧具有自動調(diào)平功能，從而使所有推力瓦受力基本均勻。蝶形彈簧均載能力與蝶形彈簧的剛度、工作載荷以及軸瓦高差有關(guān)。蝶形彈簧剛度越大，均載性能越差;剛度越小，均載性能越好。在選擇時，一般在滿足強(qiáng)度要求的條件下盡量降低蝶形彈簧的剛度。在安裝時，碟形彈簧已承受負(fù)載，發(fā)生一定量變形，運(yùn)行中當(dāng)負(fù)載增加或減小時，碟形彈簧均載性能將顯示出來，減小推力瓦溫升差。

2.2 推力瓦面受力分析

推力軸承瓦面為分布荷載，單塊推力瓦受力大小一定時，推力瓦的支撐方式對推力瓦面的壓應(yīng)力分布、推力瓦力變形和熱變形、以及瓦面潤滑油膜厚度分布都有著很大的影響。如圖2(a)所示，彈性支撐推力軸承圓形推力瓦采用蝶形彈簧支撐，蝶形彈簧為空心圓臺形，上下兩個平面均為圓環(huán)，套在瓦基柄上，上平面與推力瓦的背面接觸，形成環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)。如圖2(b)所示，當(dāng)推力瓦承載時，蝶形彈簧對推力瓦背面形成圓環(huán)分布荷載P2，微量機(jī)械變形呈現(xiàn)支撐環(huán)內(nèi)部及外圍低、支撐環(huán)處高、瓦面呈現(xiàn)“M”形的力變形。由于距支撐環(huán)較近，外圍區(qū)域撓度較剛性支撐推力瓦小。另一方面，瓦面的熱變形仍為向上凸起，支撐環(huán)內(nèi)部區(qū)域受力引起的凹變形與熱膨脹引起的凸變形相互抵消，減小了瓦面中部區(qū)域的變形，瓦面除邊緣區(qū)域有很小的撓度外，中間大部區(qū)域較為平整(如圖2(b)中虛線所示)，這有利于整個瓦面應(yīng)力q2的均勻分布，保證瓦面油膜形成，改善潤滑性能，提高了推力瓦的運(yùn)行可靠性。

2.3 推力軸承抗沖擊分析

圖2 彈性支撐推力瓦

水泵機(jī)組在運(yùn)行過程中，電機(jī)推力軸承會受到機(jī)組振動等多種因素引起的沖擊作用，產(chǎn)生軸向沖擊力，推力瓦受力劇烈變化。在這種情況下，剛性支撐扇形瓦由于支撐剛度大，受力會隨之急劇變化，容易造成瓦面的疲勞破壞;并且高頻率連續(xù)不斷的振動和沖擊，會破壞瓦面的潤滑油膜，導(dǎo)致摩擦力增大、推力瓦過熱，甚至燒損。彈性支撐圓形推力瓦由于蝶形彈簧的彈性作用，具有較好的吸震能力，大大減小了對瓦面的沖擊，使得瓦面受力隨時間的變化減小，有利于油膜的形成與保持。

2.4 安裝檢修分析

大型立式電機(jī)彈性支撐滑動推力軸承，依靠生產(chǎn)廠的精密加工和精密測量，保證推力瓦、彈簧及承板外形尺寸的精度。同一臺機(jī)組的所有推力瓦表面一次加工成形，高度誤差不超過0.01 mm，碟形彈簧的上下兩接觸面高度誤差也不超過0.01 mm，組裝后，高度累積誤差不超過0.02 mm。新機(jī)組安裝時，因圓形推力瓦和碟形彈簧都經(jīng)過精度機(jī)械加工，不需要進(jìn)行人工研磨，在調(diào)整好電機(jī)上機(jī)架水平的情況下，直接將推力瓦和碟形彈簧安裝到位，即能基本滿足水平和受力均勻的要求，減少了安裝過程中的測量調(diào)整工作量。在機(jī)組檢修時，通常將所有推力瓦放置于碟形彈簧上進(jìn)行研磨，集中刮瓦，即能保證所有瓦面在同一水平面上，減少了研刮環(huán)節(jié)，大大縮短了安裝時間，減輕了安裝工作量。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)的剛性支撐滑動推力軸承相比，彈性支撐推力軸承無論是在受力均衡方面，還是在安裝檢修方面，其優(yōu)勢都很明顯，相信隨著我國泵站事業(yè)的發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)將在大型水泵機(jī)組中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1]王毅，陳堅，周少華.大型立式泵機(jī)組碟簧支撐圓形瓦推力滑動軸承研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2010(3):126－129.

[2]沈日邁，林建時，仇寶云.泵站安裝及驗收規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社，2005.