立式電機(jī)推力軸承的發(fā)展現(xiàn)狀

曲 鵬

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

立式電機(jī)推力軸承的發(fā)展現(xiàn)狀

曲 鵬1,2

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

介紹了國(guó)外立式電機(jī)軸承的發(fā)展現(xiàn)狀，并論述了立式電機(jī)推力軸承的特點(diǎn)。在對(duì)軸承工作特性、支承結(jié)構(gòu)和軸瓦的幾何形狀重點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，比較了不同軸承支承結(jié)構(gòu)形式和軸瓦幾何形狀對(duì)推力軸承的影響，繼而結(jié)合工程應(yīng)用的實(shí)際情況，提出較為合理的選擇方案。最后針對(duì)立式電機(jī)推力軸承在應(yīng)用過(guò)程中的常見(jiàn)故障，提出可行的解決辦法。

立式電機(jī)；推力軸承；彈性支承；圓形推力瓦

0 引言

立式電機(jī)的軸承是大型水泵機(jī)組的重要部件之一，承受著泵機(jī)組轉(zhuǎn)子重量及軸向水推力等軸向負(fù)荷，不僅影響機(jī)組的出力和效率，而且直接關(guān)系到泵機(jī)組的安全運(yùn)行[1]。因此，研究立式電機(jī)推力軸承的發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)于今后的軸承產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作有著非常重要的指導(dǎo)意義。

1 國(guó)外軸承公司的產(chǎn)品

目前，美國(guó)的Kingsbury公司、Waukesha公司和英國(guó)的Michell公司有成熟的立式電機(jī)軸承研發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品系列，可作為立式電機(jī)軸承領(lǐng)域的典型代表。

Kingsbury推力軸承適用于許多種類(lèi)的立式水泵，包括深井泵、冷凝循環(huán)泵、熱井泵、市政水利工程系統(tǒng)和礦用泵等，能滿足許多要求高速、重載和高可靠性的場(chǎng)合。產(chǎn)品根據(jù)潤(rùn)滑形式的不同可分為直接潤(rùn)滑和浸油潤(rùn)滑兩種。浸油潤(rùn)滑軸承的VK型號(hào)產(chǎn)品是水電用推力軸承。該型軸承特點(diǎn)是振動(dòng)小、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單和安裝便捷，承載能力負(fù)載能力從29～226 t，轉(zhuǎn)速范圍從100～4 000 r/min。推力軸承配有一個(gè)油箱，軸承可以和油箱分開(kāi)布置，也可完全浸在油箱中。電機(jī)帶動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)，在推力瓦塊油膜處由摩擦產(chǎn)生的熱量或是通過(guò)自然冷卻，或是借助在油箱中布置的循環(huán)水冷管路以熱交換的形式帶走。

Michell推力軸承的承載部分由一組可自動(dòng)調(diào)整的推力瓦構(gòu)成，利用動(dòng)壓油膜滿足負(fù)載要求，廣泛應(yīng)用在推力軸承和徑向軸承上。

Waukesha立式軸承有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，該軸承正反轉(zhuǎn)負(fù)載特性優(yōu)異、冷卻方式多達(dá)五種(水冷卻盤(pán)管、水箱循環(huán)冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、風(fēng)冷和油冷卻盤(pán)管)、安裝維護(hù)方便、密封可靠、可承受反向推力，耐腐蝕性能優(yōu)良。

2 立式電機(jī)推力軸承的特點(diǎn)

2.1 工作特性

立式電機(jī)推力軸承(以下簡(jiǎn)稱推力軸承)，主要用于立式安裝的旋轉(zhuǎn)電機(jī)等設(shè)備上。除承受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)部分的軸向和徑向負(fù)荷以外, 還需承受來(lái)自水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分的負(fù)荷及軸向水推力, 是整個(gè)泵組最關(guān)鍵的支撐部件。根據(jù)軸承不同運(yùn)行條件及承受負(fù)荷的大小，可選用自潤(rùn)滑或壓力油循環(huán)潤(rùn)滑的潤(rùn)滑方式。

我們現(xiàn)在常用的推力軸承一般采用自潤(rùn)滑形式，其冷卻通常有自然冷卻或通過(guò)安裝在上機(jī)架內(nèi)的冷卻器通水進(jìn)行冷卻，潤(rùn)滑油進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)。具體是潤(rùn)滑油通過(guò)支承板設(shè)計(jì)的溝槽流入推力頭與內(nèi)側(cè)圓筒之間，分別進(jìn)入推力瓦、導(dǎo)瓦工作面，之后從導(dǎo)軸承座和上機(jī)架出油孔流出，依靠油冷卻器冷卻后再循環(huán)。

推力軸承承受的泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量及軸向水推力較大。該軸承應(yīng)能力保證在無(wú)需頂轉(zhuǎn)子的情況下直接啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),又要保證泵組無(wú)需剎車(chē)裝置而能在停機(jī)過(guò)程中低速安全運(yùn)行；導(dǎo)軸承承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向機(jī)械不平衡力和電磁不平衡力。推力及導(dǎo)軸承要求安裝及檢修更換方便,使用壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)上還要滿足可抽芯式水泵的整體要求,滿足泵組每天冷、熱啟動(dòng)次數(shù)的要求。因此,推力軸承結(jié)構(gòu)形式是否合理,對(duì)機(jī)組能否長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

2.2 支承結(jié)構(gòu)

推力軸承的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)軸承支承方式不同，一般可以分成剛性支承推力軸承和彈性支承兩類(lèi)。目前，國(guó)內(nèi)泵站及水電等相關(guān)行業(yè)內(nèi)小容量電機(jī)機(jī)組多采用剛性支承和彈性墊支承，大中容量機(jī)組多采用彈性油箱支承和平衡塊支承。

支承結(jié)構(gòu)是推力軸承的重要組成部分，它對(duì)瓦塊間負(fù)荷的分配有著很大的影響。除了應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度要求外，還應(yīng)該保證載荷在各瓦塊上分布均勻、制造容易和安裝維護(hù)方便[2]。

近年來(lái)，隨著不同機(jī)組型式的出現(xiàn)和技術(shù)的發(fā)展，彈性支承推力軸承得到了應(yīng)用[3]，如江蘇省臨洪東泵站及一些發(fā)電廠的冷卻水循環(huán)泵站。

下面，對(duì)彈性支撐推力軸承與剛性支撐推力軸承的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行比較和分析，作為推力軸承結(jié)構(gòu)選型的重要依據(jù)。

2.2.1 剛性支承推力軸承

圖1 剛性支承推力軸承

剛性支承推力軸承結(jié)構(gòu)如圖1，主要由推力頭、鏡板、扇形推力瓦、抗重螺栓、推力瓦架等部件組成。推力頭和鏡板的材料一般選用45號(hào)鋼。鏡板表面經(jīng)過(guò)粗精車(chē)、研磨等多道工序達(dá)到嚴(yán)格的表面光潔度要求。扇形推力瓦采用瓦基表面澆鑄巴氏合金的結(jié)構(gòu)形式。用于支承和調(diào)節(jié)推力瓦的抗重螺栓旋入推力瓦架。鎖定板用于鎖定抗重螺栓和推力瓦高度。

為滿足推力軸承運(yùn)行條件，整個(gè)推力軸承浸沒(méi)于油缸內(nèi)的潤(rùn)滑油中。軸向推力瓦設(shè)有進(jìn)油邊，運(yùn)行時(shí)通過(guò)與旋轉(zhuǎn)鏡板之間的油楔形成油膜。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，鏡板和推力瓦之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量，熱量由潤(rùn)滑油帶走并傳遞到油缸的潤(rùn)滑油中。油缸內(nèi)安裝有油水冷卻器，外部有循環(huán)水通入油水冷卻器，將油缸中的潤(rùn)滑油冷卻，確保軸承各部分溫度平衡穩(wěn)定，保證推力軸承正常運(yùn)行。

剛性支承主要有巴氏合金支柱螺栓支承和小支柱雙層支承兩種形式。前面提到的是常用的巴氏合金支柱螺栓支承結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)是將推力瓦釬焊在托瓦上，由支柱螺釘支承托瓦。這種支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，但安裝或維修時(shí)需要對(duì)推力瓦進(jìn)行受力調(diào)節(jié)。由于受力調(diào)節(jié)比較困難，人工調(diào)平費(fèi)時(shí)費(fèi)力，運(yùn)行時(shí)不能自動(dòng)調(diào)節(jié)各推力瓦的受力，且無(wú)法聯(lián)動(dòng)，燒瓦頻發(fā)，限制了其使用范圍，故一般用于小型、單位壓力不高的推力軸承[4]。

2.2.2 彈性支承軸承

圖2 彈性支承推力軸承

彈性支承推力軸承如圖2，主要由推力頭(包括鏡板)、圓形推力瓦、蝶形彈簧、承板等部件組成。推力頭與鏡板一體化，由45號(hào)鋼鍛造成形，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(tái)體。上下兩平面經(jīng)過(guò)機(jī)械精密加工研磨，高度誤差在0.01 mm以內(nèi)。推力瓦背后小軸插入承板孔內(nèi)，軸上的密封圈可保證推力瓦在水平方向有微量移動(dòng)，有利于推力瓦與鏡板之間油膜的形成與保持。

剛性支承由于其結(jié)構(gòu)缺陷，不能較好地解決推力瓦受力不均。其彈性支承，由于在瓦底部采用碟形彈簧支承，剛度大大減小。當(dāng)推力瓦高度差在0.02 mm時(shí)，碟形彈簧可使各塊推力瓦受力不均勻程度控制在10%以內(nèi)[5]。這樣推力瓦與鏡板之間摩擦力均勻，潤(rùn)滑油膜穩(wěn)定，摩擦產(chǎn)生的熱量可以及時(shí)地由潤(rùn)滑油帶走，瓦面溫度不容易聚集，大大降低了燒瓦的可能性。

2.2.3 兩種支承結(jié)構(gòu)推力軸承的比較

剛性支承推力軸承的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛。彈性支承推力軸承是由國(guó)內(nèi)軸承制造公司引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)制造理念而開(kāi)發(fā)出來(lái)的新產(chǎn)品，目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始推廣使用。

兩種支承結(jié)構(gòu)形式的推力軸承作比較，彈性支承的優(yōu)點(diǎn)是推力瓦塊承受負(fù)載比較均勻。作為支承部分的碟形彈簧的自適應(yīng)能力及阻尼特性很好。這樣，每塊推力瓦可自動(dòng)調(diào)平，不會(huì)出現(xiàn)某塊推力瓦超載的現(xiàn)象，從而提高了推力軸承整體的承載能力。彈性支承吸振作用較好，在電機(jī)振動(dòng)過(guò)大或出現(xiàn)沖擊載荷時(shí)，碟形彈簧可以起到良好的緩沖作用，大大減小了推力瓦面的疲勞損壞。彈性支承的推力軸承推力瓦瓦面變形較小，這是由于彈性支承推力軸承背面采用圓環(huán)接觸，減小了瓦面的綜合變形，有利于瓦面潤(rùn)滑油膜的形成。彈性支承推力軸承安裝簡(jiǎn)單方便，推力瓦在工作過(guò)程中互相可自動(dòng)調(diào)整高度，而剛性支承巴氏合金瓦在安裝前需要研刮推力瓦，調(diào)平鏡板，調(diào)試維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.3 推力瓦的幾何形狀

目前，傳統(tǒng)的推力軸承一般采用扇形推力瓦，如圖3所示。該型軸瓦適用范圍較廣，我國(guó)現(xiàn)運(yùn)行的大多立式水泵推力軸承均采用該形狀推力瓦。另外，水電行業(yè)的大中型或超大型發(fā)電機(jī)組體積和重量都很巨大，在滿足瓦面單位壓力要求的前提下，推力瓦均為面積巨大且形狀狹長(zhǎng)的扇面形，瓦塊數(shù)目眾多。但是，傳統(tǒng)的扇形推力瓦面積越大，變形越難以控制，運(yùn)行溫度也可能越高，實(shí)際運(yùn)行中，其變形量難以控制在良好的范圍內(nèi)。

圖3 扇形推力瓦

圓形推力瓦的出現(xiàn)是推力軸承結(jié)構(gòu)的發(fā)展。圓形瓦的承載力、潤(rùn)滑性能都優(yōu)于扇形瓦，圓形瓦將替代傳統(tǒng)的扇形瓦將是一種必然。上世紀(jì)80年代，德國(guó)RENK公司首創(chuàng)了世界上第一臺(tái)碟形彈簧支承的圓形推力瓦滑動(dòng)軸承，并制定了該類(lèi)軸承的行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[4]。圓形瓦的創(chuàng)新點(diǎn)在于：傳統(tǒng)的扇形推力瓦支承點(diǎn)一般采用偏支點(diǎn)方式，即支撐線位于瓦塊幾何中心偏向出油邊10%。相對(duì)于圓瓦的對(duì)稱式支撐，偏離式支撐正常運(yùn)行時(shí)瓦溫低20℃左右，但反向運(yùn)行時(shí)瓦溫比正向運(yùn)行時(shí)高約35℃。而RENK推力軸承的瓦塊是圓形，且支點(diǎn)在瓦塊幾何中心，這使得泵組對(duì)正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)具有了良好的適應(yīng)性。

采用圓形瓦面, 消除了采用扇形瓦面時(shí)的邊緣效應(yīng)。此外, 圓形瓦的熱變形和彈性變形容易計(jì)算, 這樣就便于進(jìn)行瓦塊的優(yōu)化設(shè)計(jì), 以選擇更合理的瓦塊直徑與其厚度的比值。圓形推力瓦在運(yùn)行中可以自動(dòng)調(diào)整傾角, 比傳統(tǒng)的可傾瓦具有更好的調(diào)整效果, 且其承載能力比可傾瓦大, 同時(shí)制造成本較低。特別是圓形推力瓦降低了安裝精度要求, 很大程度上避免了由于安裝原因引起的燒瓦、機(jī)械振動(dòng)等故障, 安裝使用更加方便[5]。肖建海等人基于流體潤(rùn)滑理論，考慮潤(rùn)滑油的溫黏效應(yīng)，建立了油潤(rùn)滑止推軸承瓦塊形面結(jié)構(gòu)熱流潤(rùn)滑數(shù)學(xué)模型，用數(shù)值分析法分析了平面形面、圓柱形面等6種瓦面形面的油膜壓力分布、溫度分布和不同膜厚、傾角、轉(zhuǎn)速條件下軸承的承載能力以及油膜溫度的變化規(guī)律。最后得出結(jié)論，圓柱形面軸瓦承載能力較高，油膜溫升較小和潤(rùn)滑性能最好，綜合性能最好[6]。

3 常見(jiàn)故障

3.1 推力瓦燒損

推力瓦是大型立式電機(jī)的關(guān)鍵部件。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，推力瓦燒損故障約占水泵機(jī)組設(shè)備故障的40%左右。其根本原因是推力瓦與鏡板之間的油膜層被破壞，摩擦熱迅速增加，瓦面溫度超過(guò)瓦面巴氏合金熔點(diǎn)導(dǎo)致燒損，如圖4所示。目前解決方法主要有：增大現(xiàn)有巴氏合金推力瓦的面積、提高推力瓦過(guò)載能力、采用液壓頂升裝置(在推力瓦中心開(kāi)孔，注入高壓油，促進(jìn)油膜形成)、保證推力頭與推力瓦之間接觸面的加工精度、提高油箱內(nèi)水冷卻器的冷卻能力等。

圖4 燒損的推力瓦

3.2 軸承室甩油

大型立式水泵電機(jī)大多配套稀油潤(rùn)滑的推力軸承，軸承室甩油問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重地影響了機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行。軸承室甩油問(wèn)題主要由負(fù)壓和紊流引起。負(fù)壓的產(chǎn)生是由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在電機(jī)的內(nèi)部形成一定負(fù)壓，電機(jī)上軸承室的油氣被負(fù)壓吸出，冷凝后凝結(jié)成油滴。潤(rùn)滑油容易翻越擋油桶的頂邊流入電機(jī)轉(zhuǎn)子。紊流的產(chǎn)生是因?yàn)殡姍C(jī)帶動(dòng)推力軸承推力頭高速旋轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑油被急速攪拌，油流變成了紊流，呈乳白且有很多油的混氣產(chǎn)生，從而通過(guò)擋油桶和主軸之間的空隙進(jìn)入到電機(jī)內(nèi)部。

目前解決負(fù)壓比較可行的辦法是提高推力軸承內(nèi)擋油筒的高度，在擋油筒外部增加浮動(dòng)密封圈，這樣可以大幅度減少進(jìn)入到轉(zhuǎn)子中的油氣，同時(shí)再軸承的油箱上增加空氣濾清器，起到平衡氣壓的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

立式電機(jī)推力軸承在水泵機(jī)組中占有十分重要的地位。該軸承承受泵機(jī)組轉(zhuǎn)子重量及軸向水推力等負(fù)荷，是影響機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件。國(guó)內(nèi)外多家軸承公司在立式電機(jī)推力軸承的設(shè)計(jì)和制造方面有著各自不同的特點(diǎn)和理念，可以作為后續(xù)研究和參考的重要依據(jù)。推力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是如何選擇軸承結(jié)構(gòu)、支承形式和推力瓦幾何形狀，這些將是今后軸承設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。針對(duì)推力瓦燒損、軸承室甩油等立式電機(jī)推力軸承常見(jiàn)故障，筆者充分考慮了故障的成因，采取相應(yīng)的解決方案，收到了良好的成效。

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