彈性支撐圓形推力瓦立式滑動軸承應(yīng)用研究

張小兵，張建峰，莊前兵

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇江都 225200;2.連云港市水利建筑安裝工程有限公司，江蘇連云港 222000)

0 引言

連云港市臨洪東泵站建于1978年，位于連云港市北郊，距離市區(qū)10 km，臨洪閘下游800 m臨洪河?xùn)|側(cè)，和臨洪閘等一起組成臨洪水利樞紐工程，承擔著薔薇河流域防洪排澇任務(wù)，是保障連云港市區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全的重要水利工程。由于工程現(xiàn)狀難以安全運行，2009年對該站進行了更新改造。更新改造建設(shè)內(nèi)容為，更換12套主機泵，更換主變及高低壓配電設(shè)備、檢修閘門及快速閘門，泵房砼結(jié)構(gòu)加固改造等。

傳統(tǒng)大型立式推力滑動軸承的運行檢修要求較高，江蘇省連云港臨洪東泵站首次采用了新型彈性支撐圓形推力瓦立式滑動軸承。該軸承有新穎的結(jié)構(gòu)形式和使用特點。由于沒有規(guī)范和經(jīng)驗可循，我們通過對12臺機組的安裝實踐總結(jié)了一套此種軸承的安裝工藝與施工流程，在連云港臨洪東泵站12臺機組的安裝實踐中取得了圓滿的成功。

1 彈性支撐圓形推力瓦立式推力滑動軸承的主體結(jié)構(gòu)及原理

與傳統(tǒng)大型立式推力滑動軸承的結(jié)構(gòu)相似，新型立式推力滑動軸承主要是由推力頭、導(dǎo)軸承瓦、導(dǎo)軸承座、鏡板(新型軸承該部件和推力頭做成整體)、推力瓦、冷卻器、承板等幾大部分組成的應(yīng)用液體潤滑承載原理的裝配系統(tǒng)，浸在電機上機架油缸內(nèi)。其中，推力瓦是推力軸承中的重要部件，是整個機組轉(zhuǎn)動部分和固定部分的摩擦面，且承受整個機組轉(zhuǎn)動部分的重量和軸向載荷。

新型立式推力滑動軸承與傳統(tǒng)立式推力滑動軸承的工作原理相似，均由推力頭和鏡板承受軸向荷載，通過鏡板與推力瓦間潤滑油膜的承載將力傳遞給推力瓦，并由推力瓦承受整個機組轉(zhuǎn)動部分的重量。同時由于油箱中冷卻器的作用，使油溫維持在適宜溫度或不至于過高，以免影響軸承的正常工作。

新型軸承的推力瓦為圓形，下有碟形彈簧且支撐在承板上(猶如反扣在承板面上的碟子)。推力瓦及蝶形彈簧如圖1示，承板及推力瓦裝配見圖2。推力瓦與推力頭下平面之間形成油膜，承受旋轉(zhuǎn)機械向下的軸向推力。油膜的建立及厚度與潤滑油的粘度、轉(zhuǎn)速、推力大小等因素有關(guān)。

圖1 推力瓦及蝶形彈簧

圖2 承板、推力瓦裝配

2 安裝方法

2.1 按常規(guī)方法找正水泵、電機及上機架的水平

一般對于剛性支柱的推力軸承，定子安裝時整體水平度不需要嚴格控制，水平偏差控制在0.03 mm/m以內(nèi)。鏡板的水平可以通過調(diào)整剛性支柱進行調(diào)整。如水平與鐵心垂直不能同時滿足時，首先要保證鐵心垂直，水平可用加墊的辦法來調(diào)整。但對于這種無支柱螺釘?shù)牡螐椈芍螆A形瓦推力滑動軸承，通過其結(jié)構(gòu)我們得知絕緣承板與上機架是一體的，承板放在絕緣承板之上，而碟形彈簧支撐圓形瓦是直接放置在承板上的。所以其標高由嚴格的加工水平來控制，水平的基礎(chǔ)是定子的水平?？紤]到此種推力軸承為碟形彈簧支撐結(jié)構(gòu)以及上機架的結(jié)構(gòu)特點，水平偏差必須控制在0.02 mm/m以內(nèi)，也就是說其定子的水平度、垂直度要求較高。

2.2 找正電機軸與水泵軸的同心

1)將軸承油室、推力頭及軸頸清洗干凈(最后用無水酒精擦洗干凈)。

2)用制動閘頂起轉(zhuǎn)子，在推力瓦上涂潤滑脂，下落制動閘，取出制動閘上的臨時墊鐵，使轉(zhuǎn)子重量落到推力瓦上。

3)將承板及圓形推力瓦組件裝入上機架軸承油室中。注意需裝防轉(zhuǎn)銷的推力瓦在裝配時，承板上的防轉(zhuǎn)銷一定要對正推力瓦上的圓弧缺口。

4)套入推力頭。套入時注意不要擠壞擋油筒上的浮動密封擋圈。

5)裝好上、下導(dǎo)瓦座，并裝入上、下導(dǎo)瓦。在電機下導(dǎo)及水導(dǎo)處，按圓周進行8等分，調(diào)水平使水平基本符合要求。

6)調(diào)整轉(zhuǎn)子使定、轉(zhuǎn)子的氣隙均勻(不均勻度在10%以內(nèi))。

7)鎖緊調(diào)節(jié)螺栓將上、下導(dǎo)瓦與轉(zhuǎn)軸抱緊后按調(diào)節(jié)螺栓上的刻度均勻松3～5格(每格0.01 mm，即單邊留出0.03～0.05 mm導(dǎo)瓦間隙)。因彈性支撐的推力瓦結(jié)構(gòu)與剛性支撐完全不同，必須要抱下導(dǎo)瓦盤車。

8)將水泵軸與電機軸連接。

9)在上導(dǎo)、下導(dǎo)、法蘭、水導(dǎo)處按X、Y方向各設(shè)2只千分表，并在法蘭處按圓周做1、2、3……7、8等分標識，盤車，記錄千分表在各等分位置的數(shù)據(jù)。

10)根據(jù)所測數(shù)據(jù)確定聯(lián)軸器的鏟刮量及移動量。

11)將鏟刮好的聯(lián)軸器聯(lián)接好后重復(fù)第10、11條，機組軸線相對擺度允許值見表1。

表1 機組軸線相對擺度允許值 mm

12)將調(diào)整好的聯(lián)軸器用鉸制螺栓聯(lián)好，并做永久性標識。

2.3 整體安裝

1)定中心，調(diào)整各部間隙。

安裝電機上下油槽內(nèi)的油冷卻器，并做好水壓試驗。

盤車定中心:加工一只抱箍。抱緊在下導(dǎo)軸頸處，架設(shè)一只百分表架，其百分表指針指向水導(dǎo)軸窩的上止口上，以某一個方位為準。盤車360°，百分表讀數(shù)對0，再按90°盤車，并記錄百分表變化后的讀數(shù)記錄，盤四個方位進行比較。調(diào)整上導(dǎo)瓦支承螺釘，直到水導(dǎo)處的百分表讀數(shù)對應(yīng)位置差值在0.04 mm范圍之內(nèi)。

定軸抱瓦:當中心調(diào)整好后，在水導(dǎo)軸窩處按90°方位架設(shè)兩只百分表監(jiān)視。用兩只專用小千斤頂同時抱導(dǎo)軸瓦。軸瓦抱緊后，百分表讀數(shù)復(fù)歸為0位。抱瓦時先抱下導(dǎo)瓦，后抱上導(dǎo)瓦。

2)再次盤車檢查水導(dǎo)處是否有碰磨以確保軸的同心，使水泵水導(dǎo)處間隙均勻。

3)如水導(dǎo)處無碰磨，則將上、下導(dǎo)瓦的調(diào)節(jié)螺栓按刻度松10～12格(即導(dǎo)瓦間隙調(diào)整為0.15 mm左右)，并將調(diào)節(jié)螺栓上的止動螺釘鎖緊以防止調(diào)節(jié)螺栓松動影響導(dǎo)瓦間隙。

4)裝好其他零部件。

5)注入適量的潤滑油至規(guī)定的油位(注意:潤滑油必須經(jīng)過嚴格的過濾以免影響軸承的正常運行)。

3 彈性支撐圓形推力瓦立式推力滑動軸承的關(guān)鍵部件及優(yōu)點

1)新型軸承的關(guān)鍵部件為碟簧(碟形彈簧)，它是一種幾何尺寸小、承載能力強(傳遞載荷集中)、單位體積變形量大、緩沖減振性好的彈性元件。碟形彈簧的界面呈淺圓錐狀，為一軸對稱的回轉(zhuǎn)體。

2)采用蝶形彈簧支撐的圓形推力瓦(他們都支撐在加工到同一厚度的碟形彈簧上)，主要優(yōu)點有以下幾點:

(a)利用碟形彈簧的自適應(yīng)能力及阻尼特性，使每塊推力瓦具有自動調(diào)平功能，抗沖擊載荷強、變形量小、承載能力大、在受載方向空間尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊;亦可抑制任何可能出現(xiàn)的沖擊載荷。另外，由于油膜的剛度比碟簧的剛度大，推力瓦的壓力分布是均勻的，而不會出現(xiàn)瓦塊的超載現(xiàn)象，從而提高了它的承載能力。采用碟形彈簧以后，推力瓦在設(shè)計工況下，受力均勻度控制在10%以內(nèi)，而油膜厚度的差異僅為0.5%～1%。

(b)蝶形彈簧的承載能力強，而且變形量也很小，具有較好的緩沖吸震能力。經(jīng)過優(yōu)化計算和選擇，不會產(chǎn)生疲勞破壞，可滿足長期的使用要求。

(c)采用圓形瓦面，消除了采用扇形瓦面時的邊緣效應(yīng)。另外，圓形瓦的熱變形和彈性變形容易計算，這樣便于瓦塊的優(yōu)化設(shè)計，選擇更合理的瓦塊直徑與其厚度的比值。

(d)圓形推力瓦在運行中可以自動調(diào)整傾角，比一般的可傾瓦具有更好的調(diào)整效果，且其承載能力比傳統(tǒng)的可傾瓦大。同時，其制造成本低于傳統(tǒng)的可傾瓦，安裝、使用方便。

(e)這種結(jié)構(gòu)形式的軸承安裝時允許較大的擺度。在現(xiàn)場安裝，不需要進行刮瓦等，十分方便。

(f)當出現(xiàn)推力面(鏡板)與推力瓦不垂直時，有效保護導(dǎo)向瓦的安全。

4 推力瓦受力分析

當出現(xiàn)推力面(鏡板)與推力瓦不垂直時，上、下導(dǎo)瓦將軸系垂直抱緊時，上、下導(dǎo)瓦受力差異及推力瓦受力差異的分析如下。

4.1 下導(dǎo)及法蘭面的單邊擺度與推力瓦與推力面不垂直高度差的關(guān)系

下導(dǎo)及法蘭面的擺度如圖1所示。

圖1 下導(dǎo)及法蘭面的擺度

圖中:δ1為推力瓦與推力面不垂直高度差;δ2為下導(dǎo)處單邊擺度，δ2=0.22 mm;δ3為法蘭處單邊擺度;L1為下導(dǎo)到上導(dǎo)的距離，L1=3 000 mm;L2為法蘭處到上導(dǎo)的距離;R為推力瓦距軸線的距離，R=332.5 mm;F1為上導(dǎo)瓦所受水平力(徑向力);F2為下導(dǎo)瓦所受水平力(徑向力);Fk1為推力瓦下沉處的受力;Fk2為推力瓦上浮處的受力;k為蝶形彈簧等效剛度，k=130 000(N/mm);

根據(jù)幾何關(guān)系δ1/2R=δ2/L1=δ3/L3

故δ1=2R×δ2/L1=2×332.5×0.22/3 000=0.0 487(mm)

4.2 受力分析

當用上、下導(dǎo)瓦將軸系垂直抱緊后，以上導(dǎo)瓦為支點，列力矩平衡式:

由此可得:F2=R×k×δ1/L1=332.5×130 000×0.048 7/3 000=701.7(N)

由平衡條件可得:F1=F2=701.7(N)

推力瓦受力差值為△F=k×δ1=130 000×0.048 7=6 331(N)

4.3 結(jié)論

導(dǎo)瓦工作安全，附加力僅為701.7 N，非常小。

由于蝶形彈簧作用將高差為0.048 7 mm的不平量僅轉(zhuǎn)化為6 331 N的不平衡力，相對28 t的轉(zhuǎn)子自重(每塊瓦受力為3.1 t)僅增加0.2%的負荷，工作安全。

如果立式推力滑動軸承采用剛性支撐推力瓦結(jié)構(gòu)，在此狀態(tài)下因剛性支撐推力瓦不可壓縮，k值將非常大，0.048 7 mm的推力瓦承載面高度差將導(dǎo)致各推力瓦之間受力相差很大而引起推力瓦局部過載導(dǎo)致燒瓦。

5 運行情況

2011年7月20日9時，連云港市臨洪東泵站更新改造工程建設(shè)處主持進行了臨洪東泵站工程試運行工作。試運行過程中，12臺主機泵均一次啟動成功，啟動平穩(wěn)，運行期間設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、正常，各儀表指示基本正確，機組各部位運行正常，運轉(zhuǎn)過程中振動值、噪音均滿足規(guī)范。主要設(shè)備技術(shù)性能指標及主要技術(shù)參數(shù)達到合同的要求，上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承及推力軸承的運行溫度平穩(wěn)，均不超過60℃。

6 結(jié)語

彈性支撐圓形推力瓦立式推力滑動軸承在江蘇省水利工程中屬首次使用，其技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安裝方便、對安裝的精度要求也較低、不需要進行刮瓦等，十分方便，值得推廣應(yīng)用。