高能量單級懸臂離心泵滾動軸承組溫升過高原因分析

張翼飛 金寧寧

（江蘇雙達(dá)泵業(yè)股份有限公司）

國內(nèi)某大型煉化公司冷卻水站大型高能量單級懸臂式離心泵（OH2）在出廠試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承溫升過高，由于該泵的運(yùn)行地點(diǎn)位于中國最南部地區(qū)，夏季氣溫經(jīng)常高達(dá)40 ℃以上，因此客戶對該泵的軸承溫升提出了不能超過40 ℃的限制要求，并將此作為產(chǎn)品驗(yàn)收條件之一。 該批產(chǎn)品共計(jì)3臺， 在制造廠首次進(jìn)行4 h運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)都出現(xiàn)了驅(qū)動端推力軸承溫升超過40 ℃的情況，因此被客戶判定為不合格，不予接收。

經(jīng)公司技術(shù)人員分析研判， 排除了潤滑油、油量、回油槽、軸向力、徑向力、轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器、軸系剛度及聯(lián)軸節(jié)對中等可能導(dǎo)致軸承溫升高的可能性，最終判定，滾動軸承軸向預(yù)緊力不當(dāng)可能是導(dǎo)致軸承溫升過高的根本原因。

1 泵基本結(jié)構(gòu)參數(shù)及特征

泵基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 該泵為大口徑單級單吸懸臂離心泵，流量大、揚(yáng)程高、配套電機(jī)功率大，按照離心泵設(shè)計(jì)理念，該泵已是單級懸臂離心泵結(jié)構(gòu)的最大規(guī)格；按API 610標(biāo)準(zhǔn)，該泵屬于高能量離心泵。

圖1 泵基本結(jié)構(gòu)

泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

使用殼牌（Shell）V68標(biāo)準(zhǔn)潤滑油進(jìn)行軸承潤滑。 本泵所選用的軸承架是技術(shù)成熟的配置標(biāo)準(zhǔn)軸承的軸承架。

2 軸承溫升高原因分析

因?yàn)樵摫檬浅墒旒夹g(shù)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，所以首先排除了因軸向力、葉輪水力、潤滑油選擇、軸承架結(jié)構(gòu)及軸承型號選擇不合理等因素引發(fā)軸承溫度過高的可能性。

由圖2、3可知，該泵軸承架驅(qū)動端（DE）軸承為預(yù)緊力結(jié)構(gòu)配置方式，泵驅(qū)動端（DE）軸承架使用一組（2個）角接觸軸承，面對面安裝，軸承兩側(cè)各有一組（10個）小彈簧作用在軸承外圈上。 安裝軸承時(shí)， 小彈簧被全部壓縮進(jìn)入彈簧安裝孔內(nèi)，起到軸承預(yù)緊作用， 彈簧組所產(chǎn)生的總預(yù)緊力Fa為10個彈簧彈性壓縮變形后產(chǎn)生的彈力的合力。

圖2 彈簧預(yù)緊力方式安裝軸承組（DE）

圖3 軸承預(yù)緊力

相比常規(guī)非預(yù)緊軸承安裝方式，該高能量單級懸臂式離心泵軸承預(yù)緊安裝方式是在軸承兩側(cè)安裝了施加預(yù)緊力的彈簧，并且軸承壓蓋與軸承外圈保留有0.1 mm左右的間隙， 具體如圖4所示。

圖4 非彈簧預(yù)緊力方式安裝軸承組

根據(jù)SKF滾動軸承產(chǎn)品手冊， 軸承預(yù)緊力安裝方式主要適用于較重型荷載場合。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，滾動軸承軸向預(yù)緊實(shí)際就是在軸承安裝后，使用某種方式在軸承內(nèi)圈和外圈上沿軸向施加一個恒定的作用力并保持，使軸承內(nèi)外圈沿軸向產(chǎn)生一定的相對移動，一方面可以消除軸承內(nèi)部游隙， 另一方面又同時(shí)使?jié)L子和內(nèi)、外圈緊密接觸，并產(chǎn)生一定變形。 由于這個變形不是軸承承受工作荷載產(chǎn)生的，因此被稱為預(yù)變形。

由于軸向預(yù)緊力的作用，滾子和內(nèi)、外圈接觸后產(chǎn)生彈性變形，并使?jié)L子與內(nèi)外圈的接觸面積增大，參與承受作用力的滾子數(shù)量增多，這樣的效果比少數(shù)滾動體接觸受力的情況更好，而且還可承受更大的受力。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］中的研究成果可知，在轉(zhuǎn)速、荷載一定的情況下，軸向預(yù)緊力越大軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量越多（圖5），因此可以通過減小軸承預(yù)緊力的方式， 降低軸承運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量。

3 改善措施及效果

由于所使用小彈簧的彈性系數(shù)和彈簧的長度（可壓縮量）是固定的，為方便減小預(yù)緊力，采用了減少彈簧數(shù)量的方法。 具體做法是將原來每一側(cè)所配裝的10個小彈簧減少為5個， 軸承兩側(cè)一樣，通過這種方式，將軸向預(yù)緊力減小了一半。按照文獻(xiàn)［1］的研究成果，軸承運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量應(yīng)減少一半，從而起到降低軸承溫度的作用。

由預(yù)緊力調(diào)整前后軸承溫升數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)緊力調(diào)整后推力軸承組溫升降低了15 ℃左右（圖6），確實(shí)達(dá)到了降低溫升的作用，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 軸承溫升數(shù)據(jù) ℃

圖6 預(yù)緊力調(diào)整前后的軸承溫升數(shù)據(jù)

通過采用減小軸承預(yù)緊力的方式，3臺泵的驅(qū)動端軸承溫升幅度都得到了有效降低，因此確認(rèn)軸承預(yù)緊力不合適確實(shí)是導(dǎo)致軸承溫升過高的根本原因。

進(jìn)一步查閱該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)手冊，得知軸承預(yù)緊結(jié)構(gòu)僅是一種建議的方式，但關(guān)于軸承預(yù)緊力的控制并沒有描述。 本次企業(yè)按自己的理解，配置了預(yù)緊彈簧，事實(shí)證明預(yù)緊力過大會導(dǎo)致軸承溫升過高，但目前這方面研究并不多見。

4 結(jié)論及建議

4.1 滾動軸承軸向預(yù)緊一般用于較大型重載荷軸承組工況使用。

4.2 對于安裝預(yù)緊彈簧的推力滾動軸承組，預(yù)緊力的大小會影響運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量的多少，直接影響軸承溫升，因此應(yīng)引起重視。

4.3 合適的軸承預(yù)緊力值不是固定的，會根據(jù)不同荷載條件變化而變化，因此應(yīng)根據(jù)軸承正式工作時(shí)承受的載荷大小和需要的軸承溫升界限選擇一個最佳值； 一般小載荷時(shí)可施加較大預(yù)緊力，大載荷時(shí)應(yīng)施加較小預(yù)緊力，應(yīng)通過運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)獲得最佳預(yù)緊力值。

4.4 當(dāng)選用預(yù)緊彈簧方式安裝軸承時(shí)，最好直接配置輔助風(fēng)扇冷卻，這樣如果因預(yù)緊力不當(dāng)而發(fā)生軸承溫度偏高的情況時(shí)，可以通過風(fēng)扇直接將熱量帶走，達(dá)到降低軸承溫度的效果。