水潤滑推力軸承與推力盤綜合試驗臺設(shè)計

柏宇星, 孔繁余, 沈勇, 汪家瓊, 顧新艷

(1.南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院, 江蘇 南京 211167；2.江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.山東星源礦山設(shè)備集團有限公司, 山東 濟寧 272300)

為滿足煤礦透水事故快速搶險救援需要，研發(fā)了一種新型礦用高速搶險泵.礦用高速搶險泵使用大功率濕式電動機，由于電動機發(fā)熱較大，需要單獨設(shè)計內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)以確保電動機溫度維持在規(guī)定值內(nèi)[1].為盡量減小機組長度，以實現(xiàn)整機結(jié)構(gòu)緊湊和輕量化的要求，采用在推力盤徑向開通孔，以作輔助葉輪使用.此時推力軸承與推力盤之間形成水膜平衡機組軸向力，推力盤為整個內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)提供足夠的動力源[2].

國外眾多學(xué)者都對水潤滑推力軸承的性能進行了理論研究，NAKAO等[3]系統(tǒng)闡述了超精密機床中水潤滑推力軸承的設(shè)計過程及性能特性.INOUE等[4]證明了水潤滑推力軸承在立式水輪發(fā)電機上的實用性.HANAWA等[5]提出了一種新型多孔質(zhì)水潤滑推力軸承，通過理論研究和試驗分析得出了水膜間隙與承載力及剛度的關(guān)系.ZOUPAS等[6]研究了制造誤差對水潤滑推力軸承性能的影響.

近年來，越來越多的國內(nèi)學(xué)者也在水潤滑軸承的研究上做出了較大貢獻，LIN等[7]針對一種水潤滑螺旋槽推力軸承建立了熱流空化動力潤滑模型.LIANG等[8]基于熱彈流體力學(xué)提出了水潤滑推力軸承的計算模型.除此之外，研究主要包括水潤滑推力軸承的承載特性[9]、啟動特性[10]及其他工作特性[11-13].

現(xiàn)有推力軸承的研究基本集中于軸承自身水膜特性，當推力盤需要產(chǎn)生揚程時，推力軸承水膜特性與推力盤作輔助輪產(chǎn)生的揚程聯(lián)系十分緊密，而現(xiàn)今，將推力軸承水膜特性和推力盤水力性能統(tǒng)一進行研究的方法較為少見，特別是在試驗方法上，缺少能夠模擬使用推力盤作輔助葉輪并配合水潤滑推力軸承平衡機組軸向力工況的試驗臺.因此，文中設(shè)計1種水潤滑推力軸承與推力盤綜合試驗臺，不僅可以測試推力軸承水膜特性，還可以對推力盤作輔助葉輪的水力特性進行研究.

1 試驗臺總體設(shè)計

為了更好地在試驗臺中再現(xiàn)實際運行工況，需要在試驗中分析不同工況下推力盤作輔助葉輪的水力性能以及與推力軸承間產(chǎn)生的水膜承載力等特性.試驗臺設(shè)有軸向力的采集單元，電動機與推力軸承間的密封結(jié)構(gòu)與傳遞結(jié)構(gòu)，推力軸承與軸向力采集單元間的傳遞結(jié)構(gòu).在設(shè)計過程中還需要保證推力盤進口區(qū)域的來流穩(wěn)定性以及在高轉(zhuǎn)速下整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集可靠性等.

1.1 試驗裝置系統(tǒng)和主試驗段

圖1為水潤滑推力軸承與推力盤綜合試驗臺總圖.試驗臺除去主罐、控制臺及變頻器部分，總體長度為2 m，總高為1 m；主試驗段長度為1.38 m，高度為0.45 m.由圖可知，主罐出口閥通過編織管連接溫度控制儀進口，溫度控制儀出口與三通管中通口連接，試驗水體由三通管垂直于軸向的進口流入，由中端蓋(蝸殼)出口處流出，中端蓋(蝸殼)出口通過管段連接電磁流量計并最終流回主罐，從而形成完整的閉式回路.主罐頂部通過軟管連接真空泵，汽蝕試驗時開啟真空泵以不斷降低試驗段進口的壓力.試驗段主軸通過聯(lián)軸器連接扭矩傳感器一端，扭矩傳感器另一端連接變頻高速電動機，變頻高速電動機則由變頻器輸入頻率控制轉(zhuǎn)速.試驗段主軸的軸心、扭矩傳感器和電動機軸，通過使用固定在底座上的支撐板調(diào)節(jié)垂直高度，使上述三者處于同一水平位置及符合要求的同軸度，從而確保高速下的試驗機組的平穩(wěn)安全運行.

圖1 試驗臺裝置系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)中高速變頻電動機為干式電動機，額定輸出功率為30 kW，額定電壓為380 V，額定頻率為100 Hz，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min.變頻器采用博世康沃FSCG05，最大輸出功率為300 kW；調(diào)節(jié)頻率為0～400 Hz.在試驗中，變頻器被集成在綜合控制臺中，綜合控制臺通過電路集成，可控制試驗系統(tǒng)的啟停狀態(tài)以及壓力、流量、溫度和扭矩等信號的采集顯示，并通過內(nèi)置程序生成某一流量下?lián)P程、軸功率等結(jié)果.

圖2為綜合試驗臺中主試驗段部分的裝配結(jié)構(gòu)示意圖.液體從三通管垂直于主軸的進口流入，流經(jīng)推力盤底部，并隨著推力盤的高速旋轉(zhuǎn)進入推力盤徑向孔并被甩出，最終經(jīng)過中端蓋(蝸殼)出口流出試驗段.推力盤與兩側(cè)推力軸承總間隔為1 cm, 兩側(cè)推力軸承分別固定在左、右端蓋側(cè)端，推力盤隨主軸旋轉(zhuǎn)且隨主軸保持同步的軸向位移.(在試驗臺試驗過程中，推力軸承工作工況與礦用高速搶險泵中推力軸承工作工況類似，推力盤與一側(cè)石墨軸瓦形成水膜以承載軸向力，另一側(cè)則形成流道間隙.機械密封設(shè)置在軸承箱油封左側(cè)，以防止試驗液體流進軸承箱.軸承箱使用圓柱滾子軸承支撐主軸，并允許主軸軸向位置發(fā)生位移.由于試驗段主軸長度較長，在靠近主軸左端安裝放置水潤滑徑向軸承，以保證主軸的支撐.為確保試驗段在高轉(zhuǎn)速下的散熱循環(huán)，設(shè)置循環(huán)回路以保證試驗段在高轉(zhuǎn)速下的正常工作.

圖2 綜合試驗臺主試驗段裝配示意圖

1.2 軸向力測試單元與傳感器安裝

軸向力測試單元如圖3所示，試驗段的軸向力通過右軸承壓蓋和圓柱推力軸承傳遞至軸向力測試單元中的第三傳力軸，隨即再通過第二傳力軸傳遞至應(yīng)力傳感器一端，應(yīng)力傳感器另一端通過軸端鎖緊螺母和第一傳力軸固定在壓蓋上.其中左壓蓋腔體與右壓蓋腔體中設(shè)有骨架油封以阻斷試驗段內(nèi)液體泄漏，應(yīng)力傳感器與數(shù)顯裝置通過數(shù)據(jù)線進行連接，從而實現(xiàn)對應(yīng)力的實時監(jiān)控.其中通過調(diào)節(jié)應(yīng)力傳感器一端的軸端鎖緊螺母位置可以對推力軸承進行軸向力的施加.

圖3 綜合試驗臺軸向力測試單元裝配示意圖

為了研究推力盤與推力軸承間水膜承載力特性，如水膜厚度及壓力脈動強度特征等，在試驗臺測試系統(tǒng)中，通過在推力軸承相同徑向位置安裝電渦流位移傳感器和壓力脈動傳感器來實現(xiàn)推力軸承水膜厚度和壓力脈動的同步采集.考慮到試驗過程中，石墨推力軸承和推力盤中水膜非常小，兩摩擦副端面有極大可能性出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，壓力傳感器和位移傳感器頂端面距推力盤端面預(yù)留0.5 mm距離，采用端面密封圈和防水膠帶纏繞傳感器螺紋部分保證試驗過程中的工作介質(zhì)的密封.其中電渦流位移傳感器采用配套的24 V前置電源提供供電.

1.3 試驗儀器

試驗中，采用的儀器及參數(shù)如下所示：

轉(zhuǎn)速扭矩儀選用北京世通公司提供的TQ-660，轉(zhuǎn)速測量范圍0～30 000 r/min；扭矩測量范圍0～±100 N·m；工作電壓，24 VDC；精度，±0.25%；響應(yīng)頻率，100 μs；零點漂移，<0.5%.

位移傳感器采用Bentley SE-08電渦流位移傳感器，測量范圍0～2 mm；靈敏度，8 V/mm；頻響范圍0～5 000 Hz；靈敏度誤差，≤±3%；示值誤差，≤±2%；零值誤差，≤±1%；溫度，-10～60 ℃；工作電壓，-22～26 V.

壓力脈動傳感器采用泰斯特公司提供的 CY301型差分壓力傳感器，精度，± 0.1% FS；最高采樣頻率，1 kHz；測量范圍-30～30 kPa；工作電壓，24 VAC.

流量計采用肯特公司提供的KEF型電磁流量計, 測量范圍，0.50～54.26 m3/h；精度，±0.3%；重復(fù)性0.1%.

拉壓應(yīng)力傳感器采用美控公司提供的MIK-LCS1型應(yīng)力傳感器，測量范圍0.5～±200 kg；精度，±0.1%；非線性參數(shù)，≤±0.03% F·S；輸出2 mV/V.

溫度控制儀采用武漢某科技公司提供的GKWK-18A型溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，溫度可控，30～70 ℃，加熱功率，20 kW；冷卻功率，15 kW；工作電壓，380 VAC；測量誤差，±0.5 ℃.

2 試驗對象

試驗中采用的推力軸承與推力盤參考礦用高速搶險泵機組中推力軸承與推力盤結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，具有代表性.其中推力軸承和推力盤參數(shù)：推力瓦內(nèi)徑為66mm，推力瓦外徑為155mm，圓心角為60°，斜面傾角為0.01°，推力瓦個數(shù)為6，硬度為95 HS，密度為2250kg/m3，抗壓強度為28MPa，彈性模量為6894MPa，最大許用溫度為482℃；推力盤內(nèi)徑為66mm，推力盤外徑為180mm，徑向孔個數(shù)為8，徑向孔直徑為8mm，徑向孔夾角為45°，硬度為75 HS，密度為7850kg/m3,泊松比為0.3,彈性模量為20000MPa,最大許用溫度為148℃.推力軸承采用浸漬石墨，推力盤采用304不銹鋼為基底，表面堆焊斯泰利特合金.

3 試驗結(jié)果

在試驗過程中，由壓力傳感器、流量計、溫度控制儀和扭矩儀分別獲得試驗所需工況下推力盤的揚程、流量、溫度以及輸出功率.同時由壓力脈動傳感器、電渦流位移傳感器分別測得對應(yīng)工況下水膜壓力脈動和厚度，由軸向力測試單元中的拉壓應(yīng)力傳感器測得對應(yīng)工況的軸向力.試驗數(shù)據(jù)包括：① 30 ℃即常溫下，推力盤在1 500，2 000，3 000，4 000，5 000和6 000 r/min共6種轉(zhuǎn)速下的外特性曲線；② 上述工況下軸向力值、推力盤與石墨推力軸承間水膜厚度均值.

圖4為水溫穩(wěn)定在30 ℃時，推力盤分別運行在1 500，2 000，3 000，4 000，5 000以及6 000 r/min轉(zhuǎn)速下，不同流量點的揚程、機組效率和功率曲線.從圖4可以看出，各階轉(zhuǎn)速下，隨著流量增大，揚程不斷降低，機組效率曲線先增大再降低，功率曲線則緩慢降低.隨著轉(zhuǎn)速提高，推力盤流量覆蓋范圍有輕微增大；相同流量點下，揚程和功率數(shù)值都有提高.

圖4 推力盤外特性曲線

圖5為水體溫度控制在30 ℃時，推力軸承分別在1 500，2 000，3 000，4 000，5 000和6 000 r/min下的水膜壓力均值、水膜平均厚度和軸向力均值.圖中所涉及的水膜壓力均值、水膜平均厚度均為試驗中監(jiān)測點位置所得瞬態(tài)值經(jīng)過分析取平均值所得，其監(jiān)測點位置在推力盤左端面與左石墨推力軸承間的水膜區(qū)域.軸向力方向，規(guī)定水平向左方向(電動機側(cè)指向主體試驗段)為正，水平向右方向為負.在同一轉(zhuǎn)速下，隨著流量的增大，水膜壓力均值和軸向力呈遞增趨勢，而水膜厚度則呈遞減趨勢.

圖5 不同工況下水膜特性

4 驗 證

使用數(shù)值計算方法對雷諾方程一維形式進行二維展開并求解.在使用差分法求解推力軸承液膜壓力分布時，要將單塊推力瓦所對應(yīng)的水膜進行網(wǎng)格離散，網(wǎng)格各節(jié)點上的壓力值構(gòu)成了各階差值以及商值，從而解出各節(jié)點壓力值，以各節(jié)點壓力值作為基礎(chǔ)對應(yīng)性能參數(shù)值進行數(shù)值積分，從而得出水膜厚度值.

圖6為水膜厚度試驗值與數(shù)值計算結(jié)果的比較.本次比對選取1 500，3 000和6 000 r/min轉(zhuǎn)速作為低、中、高3種轉(zhuǎn)速的代表進行研究.由圖可知，試驗值與模擬值存在一定的差異，此差異產(chǎn)生的主要原因可能是試驗臺結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，特別是在軸向力傳遞過程中經(jīng)過機封以及軸向力等測試單元的過程中都容易產(chǎn)生較大誤差.雖然試驗值與模擬值存在一定差異，但通過比較可以發(fā)現(xiàn)在同一轉(zhuǎn)速下，隨著流量增大，水膜厚度均呈現(xiàn)出下降趨勢.而且，在同一流量下，隨著轉(zhuǎn)速升高，試驗值和模擬值變化趨勢也類似.所以隨著軸向力、轉(zhuǎn)速等工況的變化，水膜厚度在數(shù)值計算方法和試驗中所得到的基本變化趨勢是一致的，由此可以驗證試驗臺的精度和準確性.

圖6 水膜厚度驗證

5 結(jié) 論

1)通過試驗臺對礦用高速搶險泵推力盤和推力軸承在6種轉(zhuǎn)速下的水力特性和水膜性能進行了研究，表明該試驗臺能夠滿足水潤滑推力軸承承載性能和推力盤水力性能的數(shù)據(jù)采集.

2)通過數(shù)值計算方法對雷諾方程進行求解從而獲得水膜厚度值對試驗結(jié)果進行了驗證，證明了試驗臺采集數(shù)據(jù)的可靠性，說明試驗臺設(shè)計合理，滿足設(shè)計要求，并取得了良好效果.