推力盤(pán)與推力軸承在高速多級(jí)離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用

郭 茜，王中軍

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫立信分院，江蘇 無(wú)錫214000；2.寧波鮑斯能源裝備股份有限公司，浙江 寧波315500）

0 引言

高效的整體式多級(jí)離心壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域；整體式多級(jí)離心壓縮機(jī)主要由電機(jī)、增速齒輪箱、壓縮機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部件組成，一般的主機(jī)廠都會(huì)在壓縮機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)投入更多的精力，以提高葉輪效率，節(jié)省能耗，而增速箱的設(shè)計(jì)主要考慮了工藝性和裝配性等因素，往往忽視了增速齒輪箱結(jié)構(gòu)對(duì)整機(jī)效率的影響，特別在小功率大速比的機(jī)組中，齒輪箱的功耗會(huì)占有整個(gè)機(jī)組中相當(dāng)大一部分比例，甚至達(dá)到15%以上。增速齒輪箱的功耗主要來(lái)源于齒輪嚙合功耗，徑向軸承功耗，攪油、鼓風(fēng)產(chǎn)生的熱損耗以及推力軸承功耗，前三類功耗可以通過(guò)結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)參數(shù)（主要針對(duì)軸承）的調(diào)整，可以適當(dāng)減小但不可避免。而推力盤(pán)可以替代推力軸承，大幅度的減少推力軸承帶來(lái)的功耗，但推力盤(pán)的工藝性和裝配性就比推力軸承較為復(fù)雜和困難[1-2]。本文從設(shè)計(jì)、制造、裝配等角度對(duì)增速箱高速轉(zhuǎn)子的兩種推力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而得出兩種推力結(jié)構(gòu)在高速多級(jí)離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用，為該類增速箱在解決推力方面的問(wèn)題、合理選擇推力結(jié)構(gòu)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 推力的來(lái)源

由于離心壓縮機(jī)是通過(guò)氣體的離心作用將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能，在葉輪直徑不變的情況下，要獲得更大的壓力，就需要葉輪有更高的轉(zhuǎn)速，整體式多級(jí)離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都在上萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，更高的有50 000 r/min 以上，所以要想與葉輪直聯(lián)的高速齒輪軸平穩(wěn)的傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)并降低噪音或減小齒寬以降低成本，齒輪設(shè)計(jì)中，往往會(huì)選用具有較大螺旋角，以增大軸向重合度，因而齒輪傳遞扭矩時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的軸向分力Fa；葉輪在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于葉輪背面和葉輪工作面的壓力及面積不等，亦會(huì)產(chǎn)生較大氣動(dòng)軸向力。氣動(dòng)軸向力和齒輪軸向力合成后，即為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的凈軸向力[3]。

2 推力盤(pán)和推力軸承結(jié)構(gòu)型式

推力盤(pán)和推力軸承的作用是平衡壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的凈軸向力（即氣動(dòng)力和齒輪軸向力的合力）和約束軸的軸向自由度，避免葉輪與及集流器刮擦。目前市場(chǎng)上增速齒輪箱常見(jiàn)的平衡推力的結(jié)構(gòu)型式有采用推力軸承型式（圖1）及推力盤(pán)型式（圖2）。推力軸承型式是一種采用在具有斜平面或者可傾瓦推力軸承來(lái)平衡壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向力；推力盤(pán)型式是一種采用在大齒輪和小齒輪的推力盤(pán)上加工一定角度的錐面來(lái)平衡軸向力。

圖1 推力軸承型式

圖2 推力盤(pán)型式

3 兩種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

國(guó)內(nèi)外主要的壓縮機(jī)公司或者齒輪箱制造廠家的產(chǎn)品都有這兩種結(jié)構(gòu)，由于各廠家的側(cè)重點(diǎn)或加工工藝水平不同，在結(jié)構(gòu)上會(huì)選擇其中一種方式，然而兩種結(jié)構(gòu)各存在著優(yōu)缺點(diǎn)，或多或少會(huì)影響到壓縮機(jī)性能和安全。

3.1 從設(shè)計(jì)計(jì)算角度分析兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)在的高速軸瓦合金多采用巴氏合金，而巴氏合金的工作狀況的惡劣程度（即PV 值）不宜太高（都有上限值），而離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，推力面的線速度一般都在90 m/s 以上，加之合成的軸向力較大，所以壓縮機(jī)的推力軸承PV 值都比較高或接近上限值，又因?yàn)殡x心壓縮機(jī)工況點(diǎn)較多，并且存在喘振可能，造成壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力大小或方向不穩(wěn)定，所以使用推力軸承存在安全隱患（實(shí)際上，壓縮機(jī)推力軸承已成為壓縮機(jī)維護(hù)比較高的故障點(diǎn)，且失效后果非常嚴(yán)重）；并且由于推力軸承的線速度和載荷較大，因此其功率損耗必然很大，又由于多級(jí)離心壓縮機(jī)的推力面比較多，所以這部分的損耗在總功率占有不小的份量。通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的公式計(jì)算可以得到表1 的某推力軸承的計(jì)算數(shù)據(jù)，從功耗上看，該推力軸承的耗功已占軸功率的0.79%，如果推力再大，這個(gè)比例還將更大[4]。

表1 推力軸承計(jì)算數(shù)據(jù)

推力盤(pán)采用低碳合金鋼材料，經(jīng)過(guò)滲碳淬火，不但有良好的心部力學(xué)性能，表面硬度可達(dá)到HRC55-HRC62，所以可以承受更大的推力和更高的線速度；良好的力學(xué)性能，可以選取更大的過(guò)盈量，以保證推力盤(pán)的熱裝安全性。在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于帶錐度推力盤(pán)和大齒輪的錐面都在高速旋轉(zhuǎn)，它們的相對(duì)速度相比推力軸承要低的多，錐面角度面積小，所以功耗相比推軸承大幅度減小。

另一方面，采用推力軸承結(jié)構(gòu)形式，高速軸的軸向竄動(dòng)間隙僅受高速軸約束，且易控制；而推力盤(pán)結(jié)構(gòu)形式，高速軸軸向竄動(dòng)間隙受高速軸及低速軸共同控制，因而推力盤(pán)結(jié)構(gòu)形式的軸向竄動(dòng)比推力軸承結(jié)構(gòu)形式的大，接近2 倍。

3.2 從加工工藝角度分析兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

采用推力軸承結(jié)構(gòu)形式的高速齒輪軸的止推面為平面，按正常的軸齒輪加工工序就可以完成，其配合的軸承推力面和箱體相關(guān)尺寸按正確的公差加工，就能輕松的完成要求的間隙。推力盤(pán)形式是小齒輪推力盤(pán)與大齒輪推力盤(pán)的錐面配合，所以對(duì)錐度的要求極高，一般要求有合理的間隙，錐面又必須有較好的著色面積，同時(shí)又要保證高速軸兩側(cè)連接葉輪的面有較好的對(duì)稱度，加工難度非常大，國(guó)內(nèi)通常的辦法采取配磨工藝，可以較好的完成這一工序（但對(duì)加工制造人員要求較高），但這一工序需要在箱體、軸承、齒輪軸加工到位后才可以進(jìn)行，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；相比之下，國(guó)外已經(jīng)由于制造業(yè)的發(fā)達(dá)，推力面加工工藝已相當(dāng)成熟，通過(guò)先進(jìn)的工裝及檢測(cè)技術(shù)就能非常好的達(dá)到要求，省去了推力盤(pán)配磨，節(jié)約成本和時(shí)間。

3.3 從裝配的角度分析兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

由于離心壓縮機(jī)的集流器與葉輪的間隙對(duì)壓縮機(jī)的效率影響較大，所以在整機(jī)裝配時(shí)，要嚴(yán)格控制軸向間隙[5-6]。推力軸承結(jié)構(gòu)的高速齒輪軸作為獨(dú)立的轉(zhuǎn)子，推力面與軸的間隙可以通過(guò)配磨軸承處的調(diào)整墊片即可保證，在加工精度可以保證的前提下，各軸的軸承處均可以不使用調(diào)整墊，這樣就大幅度提高了裝配效率。采用推力盤(pán)結(jié)構(gòu)的高速軸、低速軸都必須在軸承處留有足夠的調(diào)整墊圈，這是因?yàn)楦鞲咚佥S的對(duì)中調(diào)整受到低速軸的影響，并且高速軸的軸向竄動(dòng)間隙也應(yīng)考慮到低速軸瓦的軸向間隙，所以高速軸的軸向位移會(huì)比推力軸承型式大一些。

由于離心壓縮機(jī)的凈軸向力很大，一般推力盤(pán)與高速軸配合會(huì)選取非常大過(guò)盈量，所以裝配時(shí)一般采用推力盤(pán)加熱，高速軸承冷卻的套裝方式，所以推力盤(pán)的結(jié)構(gòu)型式裝配相對(duì)困難一些。

4 兩種結(jié)構(gòu)型式的應(yīng)用

推力盤(pán)結(jié)構(gòu)型式多應(yīng)用在小流量整體式多級(jí)離心壓縮機(jī)或低壓比的單級(jí)高速鼓風(fēng)機(jī)中，對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)特點(diǎn)一般為小功率，高轉(zhuǎn)速，這樣可以大大減小壓縮機(jī)機(jī)組的機(jī)械損失，提高整機(jī)機(jī)組效率；而推力軸承型式多應(yīng)用在大流量整體式多級(jí)離心壓縮機(jī)或高壓比單級(jí)高速鼓風(fēng)機(jī)中，對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)特點(diǎn)一般為大功率，轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，這樣雖然會(huì)增加推力軸承帶來(lái)的部分機(jī)械損失，但是可以分擔(dān)較大的氣動(dòng)軸向力，而減小徑向軸承的負(fù)擔(dān)（因?yàn)闅鈩?dòng)軸向力可通過(guò)推力盤(pán)將軸向力傳遞至徑向軸承），從而提高了整個(gè)機(jī)組的可靠性、安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于推力盤(pán)結(jié)構(gòu)功耗低、成本低、可靠性高，在整體式多級(jí)離心壓縮機(jī)應(yīng)用最有廣泛，特別是在小型離心機(jī)組最為常見(jiàn)；由于推力軸承結(jié)構(gòu)加工工藝性好，周期短，裝配性好，又加之高速軸軸向位移小，也可以提高一部分效率，所以也有廠家采用這種結(jié)構(gòu)，特別是在大型機(jī)組中，由于推力軸承結(jié)構(gòu)可以減輕徑向軸承的負(fù)擔(dān)而較為常見(jiàn)。綜上所述，采用哪種結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)考慮自身的優(yōu)勢(shì)和側(cè)重點(diǎn)，依靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，謹(jǐn)慎選擇結(jié)構(gòu)形式，將會(huì)有效地提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。