立式高速泵止推滑動軸承設(shè)計研究

尤靜輝，范正天

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

0 引言

立式高速泵在石油、化工、能源、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用十分普遍。高速泵的增速系統(tǒng)采用齒輪增速，增速箱是立式高速泵的重要部件，主要由增速箱箱體、潤滑系統(tǒng)、齒輪軸組件和高速滑動軸承等。在齒輪增速箱的增速作用下，高速泵高速軸的最高轉(zhuǎn)速能夠超過10 000 r/min。高速泵的高速軸由滑動軸承進(jìn)行承載，在如此高轉(zhuǎn)速的情況下，如果使用滾動軸承很容易發(fā)生磨損，會導(dǎo)致高速泵不能平穩(wěn)運行，并產(chǎn)生噪聲?；瑒虞S承的特點是運行平穩(wěn)、可靠，在能夠保持充分潤滑的條件下降低表面磨損。

1 止推滑動軸承簡介

本文對LMV-322 型立式高速泵高速軸使用的止推滑動軸承進(jìn)行研究。LMV-322 型高速泵是單級單吸立式泵，通過一級齒輪箱驅(qū)動主軸高速運轉(zhuǎn)，從而達(dá)到預(yù)期的效果，其基本性能參數(shù)見表1。

表1 LMV-322 立式高速泵基本性能參數(shù)

止推滑動軸承作為立式高速泵的重要部件之一，其承載特性對高速泵的正常運行具有非常重要的影響。立式高速泵止推滑動軸承位于高速輸出軸的上、下兩端（圖1）。止推軸承所受到的載荷主要來自以下3 方面：①高速軸組件所受重力；②入口壓力產(chǎn)生的向上的力；③運輸介質(zhì)對流過部件產(chǎn)生的力。

圖1 止推滑動軸承安裝位置示意

止推軸承工作時的潤滑形式為流體動壓潤滑。通常情況下，影響流體動壓潤滑的因素有軸瓦形狀、軸承材料、工況、潤滑方式等。其中，軸向載荷通過潤滑油膜作用在軸承瓦面的擠壓力會使軸瓦發(fā)生壓力變形；潤滑過程中產(chǎn)生的剪切熱會導(dǎo)致軸瓦由于熱應(yīng)力發(fā)生熱變形，這兩種軸瓦變形會對潤滑性能有一定的影響。

對于改善止推滑動軸承承載特性的一個有效途徑就是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)能夠盡可能地提升軸承性能，進(jìn)而降低其他因素產(chǎn)生的不利影響，并且通過研究軸瓦結(jié)構(gòu)能夠?qū)τ湍ぬ匦赃M(jìn)行一定預(yù)測。

止推滑動軸承的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，但對于高承載、高穩(wěn)定性的軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定難度。根據(jù)軸承軸瓦是否可傾，可以將止推滑動軸承分為固定瓦止推滑動軸承和可傾瓦止推滑動軸承。固定瓦止推瓦滑動軸承相對于可傾瓦軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小的特點，因此具有高承載性能的固定瓦止推軸承優(yōu)勢更加明顯。軸承瓦面結(jié)構(gòu)是影響固定止推滑動軸承承載性能的主要因素，常見的軸承瓦面結(jié)構(gòu)有階梯面軸瓦結(jié)構(gòu)、斜面軸瓦結(jié)構(gòu)、斜平面軸瓦結(jié)構(gòu)、多油溝面軸瓦結(jié)構(gòu)等，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 常見止推滑動軸承結(jié)構(gòu)

立式高速泵因為在停止運行時也承受軸向重力，因此其止推滑動軸承軸瓦結(jié)構(gòu)常選用斜平面瓦結(jié)構(gòu)，斜平面軸瓦的平面區(qū)域能夠支撐泵停止運行時的軸向力和啟動載荷。對于固定瓦止推滑動結(jié)構(gòu)，目前常見的問題有：①軸承的承載力很難進(jìn)行更大程度的提升；②瓦面油膜的穩(wěn)定性比較差；③當(dāng)設(shè)備啟動、停止或轉(zhuǎn)速較低時特別容易發(fā)生摩擦和磨損；④過高的轉(zhuǎn)速容易導(dǎo)致油膜溫升過高，進(jìn)而引起潤滑介質(zhì)的黏度下降。

2 斜平面偏心結(jié)構(gòu)瓦止推滑動軸承設(shè)計

液體動壓止推滑動軸承的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，動壓止推滑動軸承組成部分有推力環(huán)、軸瓦和軸承支座。推力環(huán)固定在主軸上，軸瓦與軸承支座相連在一起。

圖3 止推滑動軸承結(jié)構(gòu)示意

LMV-322 型高速泵中，早期使用的是平面瓦止推軸承。隨著高速泵的性能要求在不斷的提高，對止推軸承承載能力和潤滑特性的要求也越來越高，在實際應(yīng)用中平面止推滑動軸承逐漸被斜平面瓦取代。為進(jìn)一步提高止推滑動軸承承載性能，本文在斜平面瓦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，設(shè)計斜平面偏心結(jié)構(gòu)瓦。傳統(tǒng)斜平面瓦中平面與斜面的交界線通過軸承圓心，而斜平面偏心結(jié)構(gòu)瓦中平面與斜面的交界線不通過止推軸承圓心，形成一定的偏心距，使得徑向也存在收斂楔形。傳統(tǒng)斜平面瓦止推滑動軸承與斜平面偏心結(jié)構(gòu)瓦止推滑動軸承的結(jié)構(gòu)對比如圖4 所示。

圖4 軸承結(jié)構(gòu)對比

在止推滑動軸承結(jié)構(gòu)具體的分析和設(shè)計過程中，參考機(jī)械設(shè)計手冊確定結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)參數(shù)技術(shù)（表2）。圖4b）中油槽處設(shè)置了徑向厚度1 mm 的阻油邊，能夠減小潤滑油泄流，增加軸承承載能力。P 為偏心距，β 為平面內(nèi)徑邊的角度。在斜、平面交界線與內(nèi)徑處交點不變的情況下，β 角度的不同決定了斜、平面交界線與內(nèi)徑處交點位置。

表2 止推滑動軸承設(shè)計參數(shù)

油槽外徑處設(shè)置了減少潤滑油泄流的阻油邊，使?jié)櫥湍じ臃€(wěn)定，增加了軸承的承載能力。當(dāng)其他結(jié)構(gòu)因素不變時，偏心距P 值的大小直接決定斜平面偏心結(jié)構(gòu)止推滑動軸承軸瓦的瓦面形狀，不同收斂楔形間隙，使?jié)櫥托纬蓜訅盒?yīng)的效果也不盡相同。隨著偏心距的增大，油膜壓力峰值先增大后減小。油膜高壓區(qū)在平面與斜面交接處，故當(dāng)偏心距較大時，油膜高壓區(qū)更靠近油膜中心區(qū)域。在偏心距為6 mm 左右時軸承的承載性能最高。

溫度是影響軸瓦變形和瓦面應(yīng)力的主要影響因素，偏心距增加使得瓦面溫度增加進(jìn)而導(dǎo)致瓦面變形增加、瓦面等效應(yīng)力增加。當(dāng)斜面傾角α 為0.27°～0.29°時承載性能最好，傾角越大瓦面溫度越低，并且瓦面變形和瓦面等效應(yīng)力也越小。

3 總結(jié)

本文針對LMV-322 型立式高速泵高速軸使用的止推滑動軸承進(jìn)行研究，介紹止推滑動軸承的結(jié)構(gòu)，設(shè)計斜平面偏心結(jié)構(gòu)瓦結(jié)構(gòu)止推滑動軸承。研究斜平面偏心結(jié)構(gòu)瓦止推滑動軸承，對偏心距、斜面傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承承載特性的影響進(jìn)行分析，得出阻油邊、瓦面偏心距、斜面傾角是影響軸承承載特性的主要因素，為斜平面偏心結(jié)構(gòu)瓦止推滑動軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。