楊光 付偉

（鄭州電力機(jī)械廠，河南鄭州 450004）

膜法萬噸級(jí)海水淡化高壓泵水潤滑陶瓷軸承的設(shè)計(jì)

楊光 付偉

（鄭州電力機(jī)械廠，河南鄭州 450004）

膜法萬噸級(jí)海水淡化高壓泵本身的穩(wěn)定運(yùn)行，影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性，直接影響海水淡化的產(chǎn)水成本?；诖?，對膜法海水淡化項(xiàng)目的背景、水潤滑陶瓷軸承的發(fā)展現(xiàn)狀，以及軸承設(shè)計(jì)和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行研究，對不同直徑和間隙的水潤滑軸承的承載力進(jìn)行計(jì)算，最終得出滿足設(shè)計(jì)要求的軸承直徑和間隙值。同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際，提出實(shí)際生產(chǎn)中軸承直徑的選取。

海水淡化高壓泵；陶瓷軸承；水潤滑

1 項(xiàng)目背景

世界上淡水不足，已成為人們?nèi)找骊P(guān)切的問題。海水淡化是解決水資源危機(jī)的重要途徑，海水淡化己成為許多沿海國家解決淡水短缺問題，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略措施。膜法反滲透海水淡化系統(tǒng)高壓泵是反滲透海水淡化技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)備，其安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行是保證膜法海水反滲透工藝安全、穩(wěn)定、可靠高效運(yùn)行的前提條件。海水淡化高壓泵一般采用軸向吸入的方式，吸入端軸承浸沒在海水中，主要承受轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的徑向力，軸承采用的潤滑劑又不能污染水源。經(jīng)研究，海水淡化高壓泵采用陶瓷軸承，潤滑劑采用需淡化的海水，即水潤滑陶瓷軸承。

2 水潤滑陶瓷軸承的發(fā)展現(xiàn)狀

水潤滑陶瓷軸承國內(nèi)研究已有一些年，但大部分處于試驗(yàn)階段，在海水淡化領(lǐng)域用于工業(yè)運(yùn)行的較少。水潤滑陶瓷軸承潤滑機(jī)理為干摩擦的臨界摩擦狀況，水作為潤滑劑與油的性能比較見表1。水與潤滑油最大的不同在于粘度，要承受同樣的徑向力，需要水膜厚度比油膜厚度小得多，過小的水膜間隙，一方面對陶瓷軸承的加工提出更高的要求，另一方面過小的間隙使軸承摩擦處于臨界摩擦狀態(tài)，對摩擦副的材料也提出很高的要求。水潤滑主軸的承載能力、剛度都比較低，所以潤滑形式的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)對水潤滑軸承極為重要。但水的低粘度帶來的好處是，其摩擦功率要遠(yuǎn)小于油潤滑形式時(shí)的摩擦功率，理論上水潤滑主軸系統(tǒng)的發(fā)熱量就較小，回轉(zhuǎn)精度也較高。與油相比，水具有更高的比熱值，相同情況下摩擦副的溫升也更小。因此，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速很高時(shí)水潤滑主軸具有更優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。另外，水作為潤滑劑沒有污染，這也是水潤滑軸承在海水淡化領(lǐng)域應(yīng)用最為突出的優(yōu)點(diǎn)之一。

表1 水與潤滑油性能比較

3 水潤滑陶瓷軸承的設(shè)計(jì)

海水淡化高壓泵用陶瓷軸承要求軸承需要一定的強(qiáng)度、抗海水腐蝕性、耐磨性、耐高溫性。碳化硅是一種共價(jià)鍵結(jié)合的穩(wěn)定化合物，其具有高強(qiáng)度和高硬度、自潤滑作用、摩擦系數(shù)小、耐磨和耐蝕、低斷裂韌性和低蠕變性，以及良好的高溫抗氧化性的綜合優(yōu)良性能。

根據(jù)已有研究［1，2］分析，陶瓷軸承采用SiC/SiC全包容結(jié)構(gòu)，即摩擦副中的靜環(huán)和動(dòng)環(huán)的材質(zhì)均采用SiC（見圖1），這樣摩擦副性能好，全包容結(jié)構(gòu)解決了軸承應(yīng)力集中問題，提高了軸承運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。成本，又不利于泵進(jìn)口的流動(dòng)。所以，在制造精度能夠保證的情況下逐步減少軸承間隙值。

圖2 軸承直徑為41mm承載力計(jì)算結(jié)果

圖3 軸承直徑為50mm承載力計(jì)算結(jié)果

圖1 水潤滑陶瓷軸承

3.1 海水淡化高壓泵徑向力的計(jì)算

海水淡化高壓泵結(jié)構(gòu)形式為臥式多級(jí)離心泵，軸承上所受的徑向力主要是轉(zhuǎn)子的重量、葉輪外周壓力分布不均引起的水力徑向力和轉(zhuǎn)動(dòng)件殘余不平衡量引起的離心力，考慮水力徑向力、離心力方向與轉(zhuǎn)子重力方向相同時(shí)，軸承承受的載荷最大。經(jīng)過計(jì)算海水淡化高壓泵滑動(dòng)軸承承受載荷F=705N。

3.2 摩擦副直徑和間隙變化對承載力的計(jì)算

①軸承間隙為0.1mm，直徑分別為41、50、60、70mm。通過計(jì)算，承載力結(jié)果見圖2～5，隨著軸承直徑的增大，軸承的承載力逐漸增大，但在軸承直徑增加到70mm時(shí)，軸承的承載力仍然達(dá)不到高壓泵轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的徑向載荷705N。一味地增加直徑，既增加了軸承的制造

圖4 軸承直徑為60mm承載力計(jì)算結(jié)果

圖5 軸承直徑為70mm承載力計(jì)算結(jié)果

②軸承間隙為0.08mm，直徑分別為41、50、60、70mm時(shí)，承載力見表2。此種情況下，當(dāng)軸承的直徑間隙取0.08mm，軸承的直徑取70mm時(shí)，軸瓦的承載力達(dá)到要求，圖6為其對應(yīng)的最小油膜厚度，為9.41μm。

表2 間隙為0.08mm時(shí)軸承承載力

圖6 軸承直徑70mm、間隙0.08mm承載力計(jì)算結(jié)果

③軸承間隙為0.05mm，直徑分別為41、46、50mm時(shí)，承載力見表3。從理論計(jì)算上來看，當(dāng)軸瓦直徑間隙取0.05mm，軸承直徑取46mm時(shí)，即可以達(dá)到要求（見圖7）。

表3 間隙為0.05mm時(shí)軸承承載力

圖7 軸承直徑46mm、間隙0.05mm承載力計(jì)算結(jié)果

4 工業(yè)應(yīng)用

工業(yè)應(yīng)用中，考慮制造加工精度及間隙圓周上的非均勻性，采用較大的軸承直徑和軸承長度，即在軸承直徑為46mm的基礎(chǔ)上取一個(gè)安全系數(shù)1.05～1.10，來保證海水淡化高壓泵各種工況運(yùn)行下的安全性。

碳化硅陶瓷軸承材料比較硬，耐摩擦，但比較脆，在泵的組裝過程中，應(yīng)特別小心，避免磕碰造成陶瓷軸承的損害，增加制造成本［3］。

5 結(jié)論

本文對膜法海水淡化高壓泵所采用的陶瓷軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)，對不同直徑和不同間隙進(jìn)行計(jì)算，得出滿足要求的陶瓷軸承直徑和間隙，考慮工業(yè)制造的誤差和精度，提出實(shí)際應(yīng)用中采用合適的安全系數(shù)，保證泵各工況運(yùn)行下的安全性。

［1］王蘊(yùn)，劉峰.水潤滑陶瓷滑動(dòng)軸承研究綜述［J］.機(jī)床與液壓，2010（11）：123-126.

［2］李丹，林彬.水潤滑陶瓷滑動(dòng)軸承的研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2006（2）：127-130.

［3］關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊［M］.北京：宇航出版社，1998.

Design of High Pressure Pump Water Lubricated Ceramic Bearing with Membrane Method

Yang GuangFu Wei
（Zhengzhou Electric Power Machinery Factory，Zhengzhou Henan 450004）

The stable operation of the high pressure pump with membrane method,which affects the reliability and safety of the whole system,directly affects the cost of water production.Based on this,the background of membrane desalination project,the development status of water lubricated ceramic bearings,bearing design and industrial appli?cations were studied,the bearing capacity of water lubricated bearings with different diameters and gaps were calcu?lated,finally the bearing diameter and clearance value meeting design requirements were obtained.In combination with the engineering practice,the selection of bearing diameter in actual production was put forward.

seawater desalination high pressure pump；ceramic bearing；water lubrication

TH133.3

A

1003-5168（2016）12-0091-03

2016-11-19

楊光（1976-），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：泵類產(chǎn)品的開發(fā)與研究工作；付偉（1976-），男，工程師,研究方向：泵類產(chǎn)品的開發(fā)與研究工作。