摘要：太浦河泵站的水導(dǎo)軸承具有轉(zhuǎn)速低、承載力大的特點(diǎn)，同時(shí)軸承又采用與水平面呈斜150布置的方式，受力復(fù)雜。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真模擬水泵裝置內(nèi)部流態(tài)后，提出承載力要求，比較選用稀油潤滑的導(dǎo)軸承，本文對塞德瓦公司的軸承結(jié)構(gòu)和受力要求進(jìn)行了分析研究。 關(guān)鍵詞：水導(dǎo)軸承 油膜 承載力 1 水泵特點(diǎn) 太浦河泵站總流量300m3/s，裝6臺斜150軸伸泵，泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程1.39m，是國內(nèi)Z大的特低揚(yáng)程大流量泵站。該水泵葉輪直徑4.1m，轉(zhuǎn)速73r/min；水泵與電機(jī)采用齒輪減速箱的傳動方式，異步電機(jī)功率1600kW，轉(zhuǎn)速1000r/min；在齒輪減速箱的兩端均有齒式聯(lián)軸器，各設(shè)備的軸向力和徑向力分別由本身的軸承承受，除扭矩外各力不相互傳遞。 2 水泵軸系受力分析計(jì)算 2.1 水泵軸系受力 斜150軸伸泵有兩個(gè)軸承，近葉輪端的為水導(dǎo)軸承，出水端的為推力徑向組合軸承。軸承受力考慮下面幾種工況，軸系受力詳見圖2-1。 （1） 靜水工況：流道內(nèi)充滿了水，但水泵未啟動，此時(shí)軸承承受水泵轉(zhuǎn)動部分重量（G）、水的浮力（f1）。 （2） 正常運(yùn)行工況：水泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，除上述力之外，軸承還要承受水泵裝置非穩(wěn)定流的水動態(tài)力(f2)、軸向水推力(fZ)、葉輪靜不平衡力(f3)、泵軸撓度引起的離心力(f4)。 （3）飛逸工況：水泵斷電而且快速閘門、多葉拍門失效，水泵進(jìn)入水輪機(jī)工況，并發(fā)生飛逸，此時(shí)須考慮導(dǎo)致各部件離心力的增加，出現(xiàn)泵軸的扭振現(xiàn)象，對軸承產(chǎn)生沖擊力。其原因是水泵進(jìn)入水輪機(jī)工況，葉輪的葉柵繞流會發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫流，產(chǎn)生葉輪上較大的水壓脈動，致使葉輪壓力側(cè)軸對稱速度場的破壞而導(dǎo)致很大的徑向力，從而軸承也承受較大的脈動力矩。 2.2 正常工況受力計(jì)算 由于斜軸伸泵呈斜式布置，受力狀態(tài)較臥式和立式水泵要復(fù)雜，水泵軸承同時(shí)受水平分力和垂直分力。水泵轉(zhuǎn)動部分的重量和浮力、泵葉輪的靜不平衡力和泵軸撓度引起的離心力由制造廠根據(jù)機(jī)械加工的技術(shù)要求提出，而因水流引起的不平衡力以及壓力脈動則比較復(fù)雜，以往因缺乏有力的計(jì)算工具，通常按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，誤差不易分析，也難以分析不平衡力產(chǎn)生的原因。為此太浦河泵站工程建設(shè)指揮部、設(shè)計(jì)院、清華大學(xué)共同合作，進(jìn)行計(jì)算機(jī)水泵裝置整體三維粘性流動模擬分析計(jì)算，模擬葉輪轉(zhuǎn)動時(shí)，水泵及進(jìn)出水流道內(nèi)部不同工況下的流動特性如壓力、速度分布規(guī)律及泵特性曲線，以及流道內(nèi)部的旋渦分布和水力損失情況。同時(shí)進(jìn)行了導(dǎo)葉和葉輪水流相互干涉引起的三維不穩(wěn)定流動分析，得到了葉輪在不同工況下受到的軸向水推力及徑向水推力在旋轉(zhuǎn)過程中的變化規(guī)律。 正常工況運(yùn)行時(shí)，葉輪受到縱向和橫向不穩(wěn)定徑向力，約3.253噸, 徑向力變幅約1.312噸。水壓力脈動的頻域能量主要集中在轉(zhuǎn)頻、3倍轉(zhuǎn)頻（葉片數(shù)的影響）、5倍轉(zhuǎn)頻（導(dǎo)葉數(shù)的影響）上，高頻的能量相對較小。 葉輪端的水導(dǎo)軸承主要承受軸系的徑向力，出水端的推力組合徑向軸承主要承受軸向水推力和部分徑向力。葉輪和泵軸重約17.5 t，綜合計(jì)算和分析，水導(dǎo)軸承受力不小于26t。 由于國內(nèi)多個(gè)泵站的斜軸伸泵出現(xiàn)過水導(dǎo)軸承損壞情況，所以對水導(dǎo)軸承的選擇做更為仔細(xì)的分析研究。 3 水泵導(dǎo)軸承型式選擇 水泵導(dǎo)軸承有水潤滑、油脂潤滑、稀油潤滑三種。水潤滑軸承通常采用工程塑料或橡膠，油脂潤滑和稀油潤滑采用巴氏合金比較多。由于水的粘滯系數(shù)較低，對低速、重載軸承不容易形成油膜，所以不予選用。太浦河水泵的導(dǎo)軸承承載力大，須選用滑動軸承。油脂和稀油兩種潤滑方式都可以用于滑動軸承。 典型的油脂潤滑軸承結(jié)構(gòu)見圖3-1，該種型式的軸承在日本的荏原和日立公司生產(chǎn)的斜軸伸式水泵上使用比較多，國內(nèi)的斜300軸伸泵上也使用，葉輪直徑多數(shù)在2.0m左右。油脂潤滑有許多優(yōu)點(diǎn)但也有不足一面，概括如下： a. 粘附性好，能附著在摩擦表面，不易流失或飛濺。 b. 特別適合滾動軸承，注油方便，可以長時(shí)間運(yùn)行而不需注油，維護(hù)工作量小。 c. 密封性好，可以防止外界塵土侵入軸承。 d. 散熱性差，不能像稀油那樣對摩擦副進(jìn)行循環(huán)冷卻，故不適宜高速轉(zhuǎn)動的軸承。 e. 其流動性差，內(nèi)摩擦阻力大無法形成動壓油膜，對大部分滑動軸承不適用。 斜軸伸泵一般使用極壓鋰基潤滑脂，這是以十二羥基硬脂酸高粘度精制礦物油，并加多種添加劑。它具有良好的泵送性，較好的耐極壓性，抗水性亦比較好，其它各方面的綜合性能都比壓延機(jī)潤滑脂優(yōu)越。 稀油潤滑的特點(diǎn)是流動性好，易形成動壓油膜；散熱性好，可以在高速、重載的軸承中使用。在立式水泵、貫流式水輪機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)的滑動軸承等方面廣泛使用。經(jīng)過比選，業(yè)主單位、設(shè)計(jì)院、無錫水泵廠選擇了西班牙塞德瓦公司的船用滑動軸承。 4 稀油潤滑軸承結(jié)構(gòu)和油品 滑動軸承對潤滑油的要求有以下幾點(diǎn)： a. 適當(dāng)?shù)恼扯取３休d力大、速度低，選用粘度高的潤滑油。對于動壓潤滑軸承，油的粘度要求較嚴(yán)格，因?yàn)檎扯茸兓瘯绊懹湍ず穸取?b. 具有較高的散熱性，傳導(dǎo)軸承因摩擦產(chǎn)生的熱量，使軸承保持較低溫度和熱平衡。 c. 較好的抗氧化安定性，以免潤滑油因高溫氧化而結(jié)焦，以免破壞油膜造成故障。 d. 較好的油性，以保證在啟動時(shí)或改變荷載的情況下，避免油膜破裂而干摩擦。 通常稀油潤滑選用透平油比較多，考慮泵站潤滑油品使用的統(tǒng)一性，更考慮到極壓齒輪油的運(yùn)動粘度遠(yuǎn)高于透平油，在水泵轉(zhuǎn)動時(shí)易形成油膜，經(jīng)與制造廠商量，Z終選用極壓齒輪油。該油的主要技術(shù)性能指標(biāo)見表4-1。 塞德瓦公司的滑動軸承兩端是P型橡膠密封結(jié)構(gòu)，每道密封有兩個(gè)橡膠圈，中間充有壓力油，油壓大于水壓將P型橡膠密封頂起，使水不進(jìn)入油中。制造廠要求油壓大于水壓1.35倍，為此在泵站的一定高度設(shè)置一個(gè)高位油箱，該油箱通過管路與軸承的進(jìn)油口相連，保證油箱的油壓與水壓有個(gè)恒定差值。因?yàn)楸谜舅皇亲兓模缬臀灰搽S著調(diào)整，恒定差值很難控制，與制造廠商量后，將油箱安裝在泵站7.5m高程的位置，高于Z高水位5.5m，確保水不進(jìn)入油內(nèi)。 整個(gè)軸瓦的長度是0.36m，軸徑0.41m，寬徑比為0.878，允許承載力443kN。軸瓦選用巴氏合金材料。雖然軸承的寬徑比較小，但整根泵軸很長，葉輪以懸臂形式固定在軸上，易產(chǎn)生彎曲，所以采用球型軸瓦底座，可以自動調(diào)整偏心，結(jié)構(gòu)詳見圖4-1。 由于水泵軸承置于流道內(nèi)，外殼四周均為水流，具有良好的冷卻效果，所以不采用油外循環(huán)方式。 5 稀油潤滑軸承的動壓油膜和荷載 太浦河水泵的特點(diǎn)是低速重載，軸承承載能力和油膜形成是兩個(gè)很重要的條件。由于水導(dǎo)軸承預(yù)留位置比較寬敞，考慮國內(nèi)其它泵站的水導(dǎo)軸承出現(xiàn)過事故，斜式布置的軸承受力的特點(diǎn)又未全部了解，所以在軸承的承載能力上盡可能多留有余量?，F(xiàn)選用的軸承Z大允許荷載為443kN，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求值，保證軸承運(yùn)行的安全。塞德瓦公司提供了轉(zhuǎn)速與Z大允許荷載的關(guān)系曲線，詳見圖5-1。 滑動軸承動壓油膜的形成與軸承幾何形式、轉(zhuǎn)速、軸的粗糙度等有關(guān)。塞德瓦是專門制造大型船用軸承的公司，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有經(jīng)驗(yàn)，考慮了形成油膜的結(jié)構(gòu)要求，泵軸表面粗糙度為0.8μm。塞德瓦公司提供了轉(zhuǎn)速與油膜的關(guān)系曲線，從圖5-2中可見在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，可以形成動壓油膜，Z小油膜厚度為0.057mm。 塞德瓦公司還提供了軸瓦承受的壓力曲線圖（圖5-3），在圖中可見軸瓦承受壓力與轉(zhuǎn)速有關(guān)，隨著轉(zhuǎn)速上升，軸瓦承受壓力顯者下降，并且趨向于平緩。在水泵啟動過程中，軸瓦承受Z大壓力， 10r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，壓力為8.8Mpa，為啟動過程中瞬時(shí)受力，塞德瓦公司表示是允許的。 7 結(jié)束語 太浦河水泵的葉輪直徑大，轉(zhuǎn)速低，水導(dǎo)軸承為低速重載，是國內(nèi)已運(yùn)行的泵站中轉(zhuǎn)速Z低，承受的徑向力Z大的導(dǎo)軸承。經(jīng)比選采用稀油潤滑方式，液體摩擦軸承。塞德瓦公司認(rèn)為水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以形成動壓油膜，軸承承載能力大于設(shè)計(jì)要求，可以滿足運(yùn)行要求。太浦河水泵的稀油潤滑軸承的選用，為今后國內(nèi)大型水泵軸承的選型提供了經(jīng)驗(yàn)。 現(xiàn)泵站尚未運(yùn)行，缺乏必要的運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)際情況分析。在試運(yùn)行結(jié)束后，將根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充和論證。