戴曉春，趙德清

1 前言

多級離心泵轉子運行時會產生很大的向進水端方向的軸向力，一般采用平衡盤平衡該軸向力。水泵工作時根據軸向力的大小自動改變平衡盤與平衡環(huán)之間的軸向間隙，從而改變平衡盤前后兩側的壓差，產生一個相反的軸向作用力來平衡轉子產生的軸向力。但在水泵啟動和停止時，由于平衡盤與平衡環(huán)之間沒有形成或已經失去高壓流體，平衡盤與平衡環(huán)直接接觸發(fā)生研磨，通常半年甚至幾個月就要更換一次摩擦環(huán)。近年來許多學者提出了一些新的軸向力平衡方案和平衡裝置［1~4］，其中平衡盤與配對浮動軸承支撐聯合承擔軸向力的組合結構，通過改變平衡盤動態(tài)間隙為靜間隙，克服了平衡盤與平衡環(huán)接觸發(fā)生研磨［5~7］，但該結構使用中經常出現浮動軸承支撐過熱甚至燒損現象。研究認為配對浮動軸承支撐的游隙匹配不合適造成軸承溫度升高導致軸承的“脹死”；同時，水泵運行中，配對的浮動軸承支撐要同時承擔水泵轉子的徑向載荷和軸向推力，工況條件惡化，軸承容易發(fā)熱和損壞［7~9］。針對以上問題，設計了單個無檔邊N系列軸承與配對的浮動軸承支撐相結合的軸承支撐結構，利用無擋邊的N系列軸承承擔全部的轉子徑向載荷，浮動軸承支撐只承擔泵工況波動的非穩(wěn)態(tài)過程中轉子產生的軸向推力，不承擔徑向載荷。實際應用表明該結構平衡盤與平衡環(huán)不發(fā)生接觸摩擦損壞，軸承未出現發(fā)熱損壞，水泵運行可靠性。

2 軸向力平衡方案分析

2.1 平衡盤平衡軸向力分析

典型的多級離心泵支撐結構是在進口端和出口端配有圓柱滾珠軸承，用平衡盤平衡全部的軸向力。平衡盤是靠泄漏產生壓差，從而在平衡盤上產生平衡力來平衡作用在轉子上的指向入口方向的軸向力。由于泄漏使泵的效率下降，所以在設計時力求在最小的泄漏下產生最大的平衡。泵在工作過程中，由于瞬態(tài)工況的波動和密封環(huán)磨損等原因，軸向力不斷變化，水泵自動改變平衡盤與平衡環(huán)之間的軸向間隙，從而改變平衡盤前后兩側的壓差，產生一個與軸向力方向相反的作用力來平衡軸向力。平衡盤工作原理如圖1所示。

圖1 平衡盤平衡軸向力的工作原理示意

當軸向力大于平衡力時，平衡盤向入口方向移動間隙變小，平衡力增大，軸向力和平衡力達到平衡，但由于慣性，平衡盤繼續(xù)向入口側移動，使平衡力大于軸向力，此時平衡盤向相反方向移動。因此，平衡盤在工作過程中始終處于左右竄動的動態(tài)平衡狀態(tài)，正常工作時平衡盤的軸向竄動量只有0.05~0.1 mm。過大的軸向竄動是不允許的，否則，會使平衡盤發(fā)生研磨，轉子產生振動，使轉子失去穩(wěn)定性［10~15］。

2.2 平衡盤與配對浮動軸承支撐聯合平衡軸向力分析

針對軸向過大竄動引起的平衡環(huán)與摩擦環(huán)的磨損以及水力損失大的問題，在多級水泵的一端用圓柱滾子軸承支撐，另一端采用配對的浮動軸承支撐的聯合結構，是目前應用較多的一種改進結構，如圖2所示。

圖2 配對浮動軸承支撐結構

這種改進結構使多級泵軸向幾乎沒有了竄動，使平衡盤與平衡環(huán)之間的動態(tài)間隙變?yōu)殪o態(tài)間隙，因而沒有了相對摩擦引起的摩擦環(huán)損壞，但同時也帶來一些新的問題：

（1）配對浮動軸承支撐的游隙匹配不好。游隙過小或過大都會造成軸承的損壞。多級泵工作時，配對浮動軸承支撐中的左側（進口端的）浮動軸承支撐承擔經平衡盤平衡后的剩余軸向力或泵啟動瞬態(tài)過程的全部軸向力。如果配對游隙過大，該浮動軸承支撐同時承擔幾乎全部的徑向載荷，兩個載荷的合力作用導致左側軸承載荷過大而燒毀；如果配對游隙過小，受力條件不好引起溫度的升高會造成兩個浮動軸承支撐的“脹死”而損壞軸承。

（2）水泵組裝時，形位公差很難保證。水泵組裝時轉子軸與浮動軸承支撐外圈的中心線很難保證重合。當轉子產生一個方向的軸向力時，浮動軸承支撐的所有滾子不能同時作用來克服軸向力，而是局部滾子即承擔徑向力又要承擔軸向力，造成工況條件惡化，軸承容易發(fā)熱和損壞。

3 浮動軸承支撐與圓柱滾子軸承組合結構設計

3.1 總體方案設計

針對現有多段離心泵支撐結構存在的問題，設計了浮動軸承支撐與圓柱滾子軸承組合結構，改進方案設計遵循下面原則：

（1）水泵正常運行時平衡盤承擔全部的軸向力。

（2）平衡盤與平衡環(huán)之間保證一個最小間隙（δ=0），防止平衡盤與平衡環(huán)之間接觸摩擦造成磨損。

（3）無擋邊的圓柱滾子軸承只承擔轉子的徑向載荷，不承擔軸向載荷；圓錐滾子浮動軸承支撐只承擔軸向載荷，不承擔徑向載荷，改善軸承的載荷條件。

3.2 浮動軸承支撐設計

3.2.1 浮動軸承支撐支構設計

將多級離心泵出水端的支撐結構設計成浮動軸承支撐與圓柱滾子軸承組合結構。圓錐滾子浮動軸承支撐外圈安裝在可以軸向移動的浮動軸承套內，浮動軸承套與無擋邊N系列圓柱滾子軸承外圈安裝在同一個軸承體相關尺寸面上，如圖3所示。

圖3 浮動滑動軸與無檔邊圓柱滾子軸承組合結構

浮動軸承支撐與無擋邊圓柱滾子軸承組合結構具有如下特點：

（1）浮動軸承支撐外圈與浮動軸承套過盈配合，浮動軸承套與軸承體之間采用平鍵聯接，防止浮動軸承和浮動軸承支撐外圈轉動，鍵與軸承體之間采用間隙配合，允許浮動軸承套（浮動軸承支撐外圈）軸向竄動。

（2）受固定安裝在軸承體上的壓蓋約束，浮動軸承套向泵進口端(圖中左側)方向竄動有一個極限位置，以保證平衡盤最小間隙（δ=0），避免平衡盤與平衡環(huán)之間接觸摩損。

（3）浮動軸承套與軸承體之間有0.5毫米的徑向間隙，以利于浮動軸承套與軸承體之間的軸向滑動，而且不會與圓柱滾子軸承產生同心度的安裝干涉，因而確保浮動軸承支撐不承受徑向載荷。由于浮動軸承外圈處于懸浮狀態(tài)，所以不會產生配對浮動軸承支撐局部受力的現象。由于浮動軸承支撐只承擔軸向推力，因此大大改善了浮動軸承支撐的工況條件。

（4）彈性軸承壓蓋與浮動軸承外套之間安裝有10個彈簧，使浮動軸承支撐始終有一個軸向預緊力。在轉子向出水端竄動時，浮動軸承支撐外圈在彈簧推力的作用下，也向出水端方向移動，保證圓錐滾子與軸承內外圈始終緊密貼合，不發(fā)生滑動摩擦，延長軸承使用壽命。

（5）無檔邊圓柱滾子軸承外圈與軸承體過盈配合安裝，由于圓柱滾子軸承允許一定的軸向串量，因此不承擔軸向力。且圓柱滾子軸承單個使用不需要配對，所以也沒有游隙大小對軸承產生的負面影響。

（6）在泵啟動和停止及工況的波動等的瞬態(tài)過程，產生的向泵進水端方向的軸向力由浮動軸承支撐平衡。一旦泵進入平穩(wěn)運行工況，在平衡盤間隙高壓流體的作用下，軸向力由平衡盤平衡，此時兩個方向的軸向力都很小，因此泵正常工作時浮動軸承支撐軸向負荷很小。

3.2.2 彈簧預緊力計算

彈簧壓蓋的作用是在多級泵工作時，由于工況波動使轉子向出口端（右側）竄動時，保持浮動軸承支撐外圈壓緊使?jié)L子與軸承內外圈始終緊密貼合。根據計算的軸向力(略)［10］，選用SFK31320圓錐滾子軸承，軸承額定動負荷cr=372.9 kN。由于水泵正常工作平時葉輪轉子產生的軸向力通過平衡盤平衡，此時浮動軸承支撐不承受軸向力時。只在竄動的慣性作用某個瞬時承受部分軸向載荷。因此浮動軸承支撐軸承的預緊力可按輕微負荷類型確定，按下式估算浮動軸承支撐預緊力：

軸承預緊力=cr/400

即10根彈簧的合力F=932 N。

4 安裝調試

葉輪、平衡盤定位后安裝好機封裝，然后安裝浮動軸承支撐裝置。將彈性軸承壓蓋套在轉子軸上，再將滑動套與浮動軸承支撐外圈（過盈配合）組裝好后也套在軸上，然后依次安裝浮動軸承支撐內圈、甩油盤、圓柱滾子軸承內圈及轉子的鎖緊螺母。將轉子向進水端方向竄動，使平衡環(huán)與平衡盤接觸，將浮動軸承套安裝在軸承體內（用滑動鍵定位）。推動浮動軸承套使浮動軸承支撐外圈與內圈緊密接觸，保證彈性軸承壓蓋緊固后，平衡環(huán)與平衡盤間隙δ尺寸在0~0.5 mm之間。裝上軸承壓蓋，注入合適的潤滑油。

開車初期多級水泵啟動瞬態(tài)過程，轉子各個葉輪兩側壓力差引起的軸向力大于彈簧推力（F=932 N），平衡盤與平衡環(huán)之間接觸產生摩擦。由于轉子向進水端竄動的極限位置受浮動軸承支撐限制，經一段時間磨合后，平衡環(huán)與平衡盤的摩擦環(huán)之間的間隙δ=0，此時，平衡環(huán)與平衡盤的摩擦環(huán)之間就不會產生摩擦。

水泵進入正常工作狀態(tài)，平衡環(huán)與平衡盤摩擦環(huán)之間產生間隙，因此，多級泵整個工作過程中平衡環(huán)與平衡盤摩擦環(huán)之間不發(fā)生摩擦，且浮動軸承支撐基本不承擔軸向推力，而轉子的徑向力只由N系列軸承承擔。

5 應用實例

目前，國內企業(yè)多選用MD型多級離心泵，由于該泵軸向有竄動，在使用過程中修維率較高。一般一年大約運行5000 h左右，軸承的使用壽命大約在4~5個月，平衡盤麻磨損較快，維修費用昂貴。將該結構應用于多段離心泵MD450-60×8之上，外圈無擋邊圓柱滾子軸承選用型號為N315，圓錐滾子軸承選用型號為30315，浮動軸承支撐外圈與浮動軸承套過盈配合公差：（0，-0.01）mm。平衡盤與平衡環(huán)之間的間隙可以取最小值（理論上可以為0）。并將多段離心泵MD450-60×8在唐山開欒某煤礦中投入使用。經12個月的實踐應用，該結構平衡盤與平衡環(huán)不發(fā)生接觸摩擦損壞，軸承未出現發(fā)熱損壞，水泵運行可靠。該結構延長了平衡盤的使用壽命及水泵的整體工作壽命；在材質相同的情況下，使用這種結構的多級離心泵的運行時間是原結構的1.3倍，達7000 h以上，如果是耐磨材質運行時間約可達2年左右，相關數據對比見表1所示。

表1 新軸承結構與原軸承結構的實例應用數據對比

6 結語

多級離心泵一端采用浮動軸承支撐與無擋邊圓柱滾子軸承組合支撐結構，與平衡盤聯合使用，泵正常運行時平衡盤平衡軸向力。在泵啟動和停止及工況的波動等的瞬態(tài)過程，圓錐滾子軸承限制平衡盤向泵進口端竄動的極限位置，平衡盤與平衡環(huán)之經過初期磨合后，可以控制最小間隙δ=0，避免了平衡環(huán)與平衡盤的摩擦環(huán)之間摩擦引起的損壞。這種支撐結構實現了浮動軸承支撐只擔軸向力，改善軸承受力條件，克服了配對使用圓錐滾子軸承匹配不當導致的軸承燒損等問題。采用彈性軸承壓蓋保證轉子軸向竄動時滾子與軸承內外圈始終緊密貼合，不發(fā)生滑動摩擦，延長軸承使用壽命。實際應用表明，改進后水泵運行平穩(wěn)，未出現平衡環(huán)磨及軸承體升溫等異?，F象。

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