膜法萬噸級海水淡化高壓泵水潤滑陶瓷軸承的設計

楊光 付偉

（鄭州電力機械廠，河南鄭州 450004）

膜法萬噸級海水淡化高壓泵水潤滑陶瓷軸承的設計

楊光 付偉

（鄭州電力機械廠，河南鄭州 450004）

膜法萬噸級海水淡化高壓泵本身的穩定運行，影響到整個系統的可靠性和安全性，直接影響海水淡化的產水成本。基于此，對膜法海水淡化項目的背景、水潤滑陶瓷軸承的發展現狀，以及軸承設計和工業應用進行研究，對不同直徑和間隙的水潤滑軸承的承載力進行計算，最終得出滿足設計要求的軸承直徑和間隙值。同時結合工程實際，提出實際生產中軸承直徑的選取。

海水淡化高壓泵；陶瓷軸承；水潤滑

1 項目背景

世界上淡水不足，已成為人們日益關切的問題。海水淡化是解決水資源危機的重要途徑，海水淡化己成為許多沿海國家解決淡水短缺問題，促進經濟社會可持續發展的重大戰略措施。膜法反滲透海水淡化系統高壓泵是反滲透海水淡化技術應用中的關鍵設備，其安全、穩定、可靠運行是保證膜法海水反滲透工藝安全、穩定、可靠高效運行的前提條件。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，主要承受轉子運轉時的徑向力，軸承采用的潤滑劑又不能污染水源。經研究，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展現狀

水潤滑陶瓷軸承國內研究已有一些年，但大部分處于試驗階段，在海水淡化領域用于工業運行的較少。水潤滑陶瓷軸承潤滑機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，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、結構設計及制造技術對水潤滑軸承極為重要。但水的低粘度帶來的好處是，其摩擦功率要遠小于油潤滑形式時的摩擦功率，理論上水潤滑主軸系統的發熱量就較小，回轉精度也較高。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，當主軸轉速很高時水潤滑主軸具有更優良的熱穩定性。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域應用最為突出的優點之一。

表1 水與潤滑油性能比較

3 水潤滑陶瓷軸承的設計

海水淡化高壓泵用陶瓷軸承要求軸承需要一定的強度、抗海水腐蝕性、耐磨性、耐高溫性。碳化硅是一種共價鍵結合的穩定化合物，其具有高強度和高硬度、自潤滑作用、摩擦系數小、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良性能。

根據已有研究［1，2］分析，陶瓷軸承采用SiC/SiC全包容結構，即摩擦副中的靜環和動環的材質均采用SiC（見圖1），這樣摩擦副性能好，全包容結構解決了軸承應力集中問題，提高了軸承運行的安全性和穩定性。成本，又不利于泵進口的流動。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承載力計算結果

圖3 軸承直徑為50mm承載力計算結果

圖1 水潤滑陶瓷軸承

3.1 海水淡化高壓泵徑向力的計算

海水淡化高壓泵結構形式為臥式多級離心泵，軸承上所受的徑向力主要是轉子的重量、葉輪外周壓力分布不均引起的水力徑向力和轉動件殘余不平衡量引起的離心力，考慮水力徑向力、離心力方向與轉子重力方向相同時，軸承承受的載荷最大。經過計算海水淡化高壓泵滑動軸承承受載荷F=705N。

3.2 摩擦副直徑和間隙變化對承載力的計算

①軸承間隙為0.1mm，直徑分別為41、50、60、70mm。通過計算，承載力結果見圖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，軸承的承載力仍然達不到高壓泵轉子所產生的徑向載荷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承載力計算結果

圖5 軸承直徑為70mm承載力計算結果

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

表2 間隙為0.08mm時軸承承載力

圖6 軸承直徑70mm、間隙0.08mm承載力計算結果

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

表3 間隙為0.05mm時軸承承載力

圖7 軸承直徑46mm、間隙0.05mm承載力計算結果

4 工業應用

工業應用中，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的基礎上取一個安全系數1.05～1.10，來保證海水淡化高壓泵各種工況運行下的安全性。

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 結論

本文對膜法海水淡化高壓泵所采用的陶瓷軸承進行設計，對不同直徑和不同間隙進行計算，得出滿足要求的陶瓷軸承直徑和間隙，考慮工業制造的誤差和精度，提出實際應用中采用合適的安全系數，保證泵各工況運行下的安全性。

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

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

［3］關醒凡.現代泵技術手冊［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，高級工程師，研究方向：泵類產品的開發與研究工作；付偉（1976-），男，工程師,研究方向：泵類產品的開發與研究工作。