彈性支撐推力軸承在大型立式泵機組中的應用

魏強林

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200)

0 引言

連云港市臨洪東站位于連云港市新浦區，為沂沭泗洪水東調南下配套工程，承擔薔薇河流域1054 km2抽排任務。該泵站原安裝ZL－30－7型軸流泵配TDL－3000－40/3250型同步電機12臺套(2臺備用)，總裝機容量36000 kW。2009年對該泵站進行更新改造。改造后的12臺主泵選用3100ZLB30－2.93型立式半調節軸流泵，配套的TL2000－48/3250立式同步電動機，單機流量30 m3/s，設計揚程3.6 m。

1 彈性支撐推力軸承的結構

圖1 彈性支撐推力軸承

臨洪東站的機組改造中，采用了彈性支撐推力軸承。彈性支撐推力軸承的結構如圖1所示[1]。主要由推力頭(包括鏡板)、圓形推力瓦、碟形彈簧、承板等部件組成。推力頭與鏡板一體化，由45號鋼鍛制成形，鏡板面經精密機械加工和拋光。推力瓦為圓形，瓦面采用巴氏合金，背后聯有一固定軸，起水平方向限位作用。碟形彈簧為薄型鋼板沖壓成形，呈空心圓臺體。上、下兩平面經過機械精密加工研磨，高度誤差在0.01 mm以內。推力瓦背后小軸固定于承板的孔內，軸上的密封圈使推力瓦在水平方向有微量移動，有利于推力瓦與鏡板之間油膜的形成和保持。

2 彈性支撐軸承的應用分析

2.1 推力瓦間受力分析

大型立式水泵機組運行時，電機推力軸承的每一塊推力瓦，都承受著一定的軸向力。推力瓦與鏡板摩擦產生的熱量使推力瓦溫度升高。當油缸冷卻器內冷卻水帶走的熱量與軸承摩擦產生的熱量達到一致時，各部溫度趨于平衡穩定。根據規范要求[2]，大型立式水泵機組電機滑動推力軸承安裝，要求所有8塊推力瓦工作面在一個水平面上，保證鏡板水平，所有推力瓦受力均勻。根據現有的安裝條件，規定鏡板水平最大誤差不超過0.02 mm/m。而在實際工程中，由于泵站站房受到上下游水位差變化、站房基礎不均勻沉降等因素的影響，進一步加大了推力瓦和鏡板的不水平度。

彈性支撐推力瓦在瓦底部采用了蝶形彈簧支撐，剛度大大減小。當推力瓦高度差在0.02 mm時，蝶形彈簧可使各塊推力瓦不均勻受力程度控制在10%范圍內[2]。這種推力軸承的蝶形彈簧具有自動調平功能，從而使所有推力瓦受力基本均勻。蝶形彈簧均載能力與蝶形彈簧的剛度、工作載荷以及軸瓦高差有關。蝶形彈簧剛度越大，均載性能越差;剛度越小，均載性能越好。在選擇時，一般在滿足強度要求的條件下盡量降低蝶形彈簧的剛度。在安裝時，碟形彈簧已承受負載，發生一定量變形，運行中當負載增加或減小時，碟形彈簧均載性能將顯示出來，減小推力瓦溫升差。

2.2 推力瓦面受力分析

推力軸承瓦面為分布荷載，單塊推力瓦受力大小一定時，推力瓦的支撐方式對推力瓦面的壓應力分布、推力瓦力變形和熱變形、以及瓦面潤滑油膜厚度分布都有著很大的影響。如圖2(a)所示，彈性支撐推力軸承圓形推力瓦采用蝶形彈簧支撐，蝶形彈簧為空心圓臺形，上下兩個平面均為圓環，套在瓦基柄上，上平面與推力瓦的背面接觸，形成環形支撐結構。如圖2(b)所示，當推力瓦承載時，蝶形彈簧對推力瓦背面形成圓環分布荷載P2，微量機械變形呈現支撐環內部及外圍低、支撐環處高、瓦面呈現“M”形的力變形。由于距支撐環較近，外圍區域撓度較剛性支撐推力瓦小。另一方面，瓦面的熱變形仍為向上凸起，支撐環內部區域受力引起的凹變形與熱膨脹引起的凸變形相互抵消，減小了瓦面中部區域的變形，瓦面除邊緣區域有很小的撓度外，中間大部區域較為平整(如圖2(b)中虛線所示)，這有利于整個瓦面應力q2的均勻分布，保證瓦面油膜形成，改善潤滑性能，提高了推力瓦的運行可靠性。

2.3 推力軸承抗沖擊分析

圖2 彈性支撐推力瓦

水泵機組在運行過程中，電機推力軸承會受到機組振動等多種因素引起的沖擊作用，產生軸向沖擊力，推力瓦受力劇烈變化。在這種情況下，剛性支撐扇形瓦由于支撐剛度大，受力會隨之急劇變化，容易造成瓦面的疲勞破壞;并且高頻率連續不斷的振動和沖擊，會破壞瓦面的潤滑油膜，導致摩擦力增大、推力瓦過熱，甚至燒損。彈性支撐圓形推力瓦由于蝶形彈簧的彈性作用，具有較好的吸震能力，大大減小了對瓦面的沖擊，使得瓦面受力隨時間的變化減小，有利于油膜的形成與保持。

2.4 安裝檢修分析

大型立式電機彈性支撐滑動推力軸承，依靠生產廠的精密加工和精密測量，保證推力瓦、彈簧及承板外形尺寸的精度。同一臺機組的所有推力瓦表面一次加工成形，高度誤差不超過0.01 mm，碟形彈簧的上下兩接觸面高度誤差也不超過0.01 mm，組裝后，高度累積誤差不超過0.02 mm。新機組安裝時，因圓形推力瓦和碟形彈簧都經過精度機械加工，不需要進行人工研磨，在調整好電機上機架水平的情況下，直接將推力瓦和碟形彈簧安裝到位，即能基本滿足水平和受力均勻的要求，減少了安裝過程中的測量調整工作量。在機組檢修時，通常將所有推力瓦放置于碟形彈簧上進行研磨，集中刮瓦，即能保證所有瓦面在同一水平面上，減少了研刮環節，大大縮短了安裝時間，減輕了安裝工作量。

3 結語

與傳統的剛性支撐滑動推力軸承相比，彈性支撐推力軸承無論是在受力均衡方面，還是在安裝檢修方面，其優勢都很明顯，相信隨著我國泵站事業的發展，新產品、新技術將在大型水泵機組中得到越來越廣泛的應用。

[1]王毅，陳堅，周少華.大型立式泵機組碟簧支撐圓形瓦推力滑動軸承研究[J].中國農村水利水電，2010(3):126－129.

[2]沈日邁，林建時，仇寶云.泵站安裝及驗收規范[S].北京:中國水利水電出版社，2005.