水潤滑導(dǎo)軸承在立式混泵上的應(yīng)用

喬法彬 董旭光

摘要：水潤滑軸承具有無污染、損失小、結(jié)構(gòu)簡單、安全性高的特點。因此，立式混流泵水中的徑向軸承多采用水潤滑的非金屬材料。從而簡化了水泵結(jié)構(gòu)，節(jié)省了維護成本，特別是對水環(huán)境起到了很好的保護作用。

關(guān)鍵詞：水潤滑;導(dǎo)軸承;非金屬軸承

中圖分類號：TH13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0069-02

0 ?引言

立式混流泵的導(dǎo)軸承通常直接浸沒在輸送介質(zhì)水中，如果采用油脂潤滑則會有泄露的可能性，水源有被污染的風(fēng)險。由于增加了密封和注油孔，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，維護難度增大。油脂潤滑軸承通常為貴金屬材質(zhì)，成本也更高。由此，通過輸送介質(zhì)水直接潤滑的軸承可以更好的適應(yīng)工作環(huán)境。水潤滑軸承直接在水中使用，無需密封裝置，結(jié)構(gòu)簡單;無需潤滑油或潤滑脂，消除了對水污染的危害。軸承在流水中使用，能有效控制軸承溫升，故而使用壽命長，且安全可靠。

1 ?水潤滑軸承結(jié)構(gòu)

水潤滑導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)上相對簡單，都是在套筒內(nèi)側(cè)開縱向水槽的形式。水槽的作用是為了讓充足的水流過軸承表面并形成水膜，同時帶走摩擦產(chǎn)生的熱量。

水潤滑軸承結(jié)構(gòu)有半開槽型和全開槽型，也有整體模制型、板條型和筒型。半開槽型是指軸承上半部分開槽，下半部分不開槽，多用于斜式軸或臥式軸。全開槽型為水槽在軸承內(nèi)均布，對于大型立式混流泵通常選用全開槽結(jié)構(gòu)。整體模制型是非金屬材料整體注塑成型;板條型和筒型是非金屬材料部分成型再組裝成整體，板條采用燕尾槽固定，筒型組裝采用側(cè)板固定，可用于更大的軸徑，也可做成分瓣式。

2 ?潤滑水量和軸承長度

2.1 供水量

根據(jù)試驗得出的經(jīng)驗供水量：Q=0.25D

公式中，Q為供水量（單位L/min），D為軸徑（單位mm）。

2.2 軸承長度

軸承長度通常取1-2倍的軸徑，不同材質(zhì)選取長度也不盡相同。軸承長度過小，軸承承載能力不足，影響軸承使用壽命，并導(dǎo)致軸系穩(wěn)定性差。軸承長度過大，則由于軸承前端沒有起到支撐作用，會與水接觸產(chǎn)生不必要的剪切力而使得摩擦力更大。選擇合適的長徑比，對于提高軸承壽命和增加軸系穩(wěn)定性至關(guān)重要。

3 ?常用導(dǎo)軸承材質(zhì)及其特性

根據(jù)雷諾方程，軸承的負載能力與潤滑液粘度成正比，與液膜厚度平方成反比。水是一種低粘度介質(zhì)，其粘通常在油的5%以下。在其他條件相同時，為了獲得相同的承載能力，水膜的厚度會更小。由于金屬材料的彈性系數(shù)大、硬度高，很難形成水膜。而一些非金屬材料與水的潤滑性能有很好的匹配性。因此，水潤滑軸承均以非金屬材料作為摩擦副。

3.1 橡膠軸承

橡膠用于水泵導(dǎo)軸承，需要在大量的水潤滑下工作。橡膠軸承能夠經(jīng)受漂浮在水中的固體顆粒的磨耗。如果這些顆粒落入金屬軸套和橡膠軸承之間，則軸將其壓入有彈性的橡膠材料中，而后順著其旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑵錆L推到最近的水槽內(nèi)，并被水沖走。由于金屬軸套不是讓固體粒子跟著自己移動，而是包容性地滾推它們，因此其磨損小，保持軸套表面的光滑，有助于減少橡膠軸承的磨損。

在水潤滑的條件下具有很小的動摩擦系數(shù)（約0.005～0.01），摩擦功耗很小，軸套表面磨損也很小，使用壽命更長。由于橡膠的彈性，軸承對軸的偏斜和振動不敏感，可以在臟水中工作。但不允許在斷水的情況下工作，一旦出現(xiàn)干摩擦軸承將很快被燒毀。橡膠軸承內(nèi)阻尼較大，能夠有效地防止或減緩振動、噪音和沖擊。

缺點是導(dǎo)熱性差、不耐油、起動力矩大、不可干運行。

橡膠軸承及其金屬殼由軸承廠家一體供貨。

3.2 石墨軸承

石墨軸承有著自潤滑、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)輕等特點。石墨材料本身就存在潤滑性能，而與水和空氣的接觸使石墨工作面上吸附了水和氣體分子，增大了石墨互相滑動接觸面間的距離，從而減弱了它們間的結(jié)合力，進一步增強其潤滑性能。石墨軸承的靜摩擦比同樣情況下的金屬軸承要小一些。普通石墨軸承在干運轉(zhuǎn)情況下，動摩擦系數(shù)在0.08-0.3之間，濕運轉(zhuǎn)情況下由于存在著邊界潤滑，所以動摩擦系數(shù)在0.01-0.1范圍內(nèi)。

為了提高石墨制品的機械強度和耐沖擊韌性，常用一些耐磨性能好的易熔金屬進行浸漬處理。浸銻石墨軸承允許的工作溫度可達500℃，在大負荷和快速的情況下工作，其耐磨性能可提高2-3倍。

石墨軸承一般采用過盈裝配安裝。將金屬殼體加熱，再裝入石墨軸承，待金屬殼冷卻后形成過盈配合。過盈量需考慮石墨軸承的許用應(yīng)力。

石墨軸承及其金屬殼由軸承廠家一體供貨。

3.3 陶瓷軸承

陶瓷軸承具有金屬軸承所無法比擬的優(yōu)良性能，耐高溫、高強度、超耐磨等特點。陶瓷軸承可在dn值超過300萬的條件下運轉(zhuǎn);壽命長，全陶瓷軸承的疲勞壽命是全鋼軸承的10-50倍，混合陶瓷軸承壽命也比全鋼軸承壽命高3-5倍;陶瓷材料的磨擦系數(shù)低，所需潤滑更少;耐磨蝕，陶瓷材料為惰性材料，故而更耐腐蝕和磨損;剛性大，陶瓷材料的彈性模量高，其剛性比普通鋼軸承大15-20%;耐高溫，全陶瓷軸承可在500℃以上溫度環(huán)境下工作;與金屬軸承相比陶瓷軸承的扭矩約減小1/3;無磁性不導(dǎo)電，陶瓷軸承可不受磁、電的損害。但陶瓷屬于脆性材料，硬度高、易碎，給安裝和加工增加了不少難度，且造價高。

由于陶瓷軸承耐磨性能特別強，與之相配套的軸套也需要很強的耐磨性，一般采用超硬合金或采用陶瓷制作而成。

陶瓷軸承及其金屬殼以及軸套由軸承廠家一體供貨。目前，陶瓷軸承多選用進口產(chǎn)品。

3.4 賽龍軸承

賽龍（Thordon）是加拿大賽龍軸承公司（THORDON BEARING INC.）專門研制生產(chǎn)的由熱凝性樹脂制造的聚合物，它是一種非金屬彈性軸承材料。賽龍SXL的干摩擦系數(shù)低于0.18。賽龍有很好的韌性，對于因軸線不正而產(chǎn)生的邊緣載荷，賽龍軸承能夠產(chǎn)生輕微變形以減小局部壓力，從而防止軸承和軸的嚴重磨損。并且減少噪音和震動的產(chǎn)生，是金屬軸承無法達到的。賽龍具有很高的抗沖擊性能，吸收沖擊負荷及回復(fù)原來形狀的能力很強。它的抗沖擊能力是尼龍的9倍，青銅的21倍?？梢缘挚箤τ诮饘倩蛩芰项惒牧蟻碚f會導(dǎo)致永久變形或破裂的沖擊載荷。

賽龍軸承不可用于高溫，當使用溫度超過60℃時材料會水解。

賽龍材料可以進行機械加工。用戶可以預(yù)先訂購毛坯，根據(jù)軸和座孔的實際尺寸現(xiàn)場加工留有余量的賽龍毛坯，賽龍軸承的安裝方式有三種：過盈冷凍安裝、過盈壓力安裝和粘接安裝。

3.5 AR1軸承

AR1是由美國Greene tweed公司生產(chǎn)的一種耐磨材料，AR工程材料廣泛應(yīng)用于有顆粒的研磨介質(zhì)中，如海水、污水、雨水、化工廢液等介質(zhì)。

AR1工程材料具有以下的特點，杰出的抗磨損性能，較低的摩擦系數(shù)，尤其在有研磨顆粒的介質(zhì)中具有更優(yōu)越的抗磨損性，可以延長軸承的使用壽命和減少軸或軸套的損壞;在水中具有極低的膨脹率和吸水率（吸水率﹤0.1%），所以在設(shè)計軸承時可減小配合間隙。這樣在軸承的表面就可以形成較高壓力的液膜，從而產(chǎn)生流體靜力支撐效應(yīng)，保證運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，降低泵的振動并增加效能;AR1材料耐干轉(zhuǎn)的能力能達到3分鐘。在出現(xiàn)間歇性干轉(zhuǎn)情況下仍能保證泵的安全運行，降低了因為這類故障導(dǎo)致的停機風(fēng)險;抗沖擊和減振性，AR1材料優(yōu)異的物理特性可以很好的緩沖設(shè)備振動和沖擊。

AR1材料硬度高，對于與之相對應(yīng)的軸套有更高的要求。AR1軸承采用過盈安裝，直接壓入金屬殼內(nèi)?？刹少徝鳜F(xiàn)場加工，也可采購成品軸承。

3.6 幾種軸承性能對比（表1）

4 ?結(jié)束語

在立式混流泵中，套筒式的導(dǎo)軸承只用來承受轉(zhuǎn)子徑向力。由于臨界轉(zhuǎn)速的原因往往在一個軸系中需要設(shè)置多個導(dǎo)軸承，這些軸承都設(shè)置在泵體內(nèi)部，在運行狀態(tài)下無法進行直接檢查。此種情況下，要特別關(guān)注潤滑介質(zhì)的溫度、含固量等條件。尤其要關(guān)注泵內(nèi)部拍氣，否則會導(dǎo)致一部分軸承得不到潤滑而快速磨損。大部分的立式混流泵均用來輸送常溫的清潔淡水、海水和雨污水。潤滑方式也有外接水潤滑和自潤滑兩種。軸承的選用要結(jié)合介質(zhì)、潤滑方式、經(jīng)濟性等條件綜合考慮決定。

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作者簡介：喬法彬（1980-），男，山東臨邑人，研究方向為臥式多級離心泵在高溫高壓給水系統(tǒng)中的應(yīng)用、立式混流泵在電廠循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用;董旭光（1982-），男，甘肅通渭人，研究方向為立式混流泵和長軸泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其在給排水系統(tǒng)中的應(yīng)用。