離心泵軸承系統設計分析

呂會敏

(山東華宇工學院，山東 德州 253034)

0 引言

離心泵是一種利用葉輪旋轉使流體產生離心運動、將電能轉變為機械能、機械能再轉變為流體動能的機器，它的工作原理是電機帶動泵軸旋轉，泵軸與葉片相連，葉片對流體做功。流體受到離心作用后由葉片中心甩向葉片外圍，在此過程中流體速度增加，獲得動能。流體進入泵殼后，順著蝸殼狀通道向逐漸擴大的方向流動，動能又逐漸轉變為流體的靜壓能，能量損失極小。泵殼也可以看作是一個流體管路。如此循環往復，低位的流體被打入高位。在離心泵的使用過程中，泵軸和殼的間隙需要采取嚴密的軸封，以保證不會產生氣縛現象。泵軸就是依靠聯軸器和電機相連，可以將電機轉矩傳遞給葉片[1]。離心泵結構如圖1所示。

圖1 離心泵結構示意圖Fig.1 Structure of centrifugal pump

1 軸承系統結構

軸承系統是泵軸的支撐構件，主要分為軸承和軸承外部構件。軸承主要分為滾動軸承和滑動軸承，軸承外部構件又有密封環、甩油環、軸承內套、軸承外套、迷宮式油封。軸承系統結構如圖2所示。

1.甩油環A 2.滾動軸承 3.軸承內套 4.軸承外套 5.滑動軸承 6.軸承體 7.迷宮式油封 8.軸 9.甩油環B 圖2 軸承內部結構Fig.2 Bearing internal structure

所有施加在軸上的載荷最終會傳遞至前端軸承和后端軸承上。前端軸承即泵側軸承，承受徑向載荷。后端軸承即馬達側軸承，既承受徑向載荷又承受軸向載荷。載荷有兩種基本形式，一種是流體靜壓力，是在離開排出口前產生的，同時也是泵的揚程；另一種是葉輪和泵軸，同心程度較差，導致運行過程中出現劇烈震動。葉輪和渦輪結構設計、葉輪前后端靜壓力差都是造成軸向載荷的主要原因。所以，軸承系統的運轉情況會受到葉輪設計的影響[2]。

滾動軸承使用牛油作為潤滑劑，一般在油位的2/3左右，放過多容易發熱，太少聲音較大。滑動軸承潤滑劑一般使用透明油，加至油位線即可，放置過多也容易從軸線流失，太少軸承容易燒壞。軸承溫度在使用過程中控制在85℃以下，太高有可能是潤滑油缺少，需要及時補油[3]。

軸承壓蓋內有兩道密封槽，能夠形成一種迷宮密封作用，靠近軸承的槽邊有回油孔。泵在快速轉動時，潤滑油會飛濺入槽內，此時潤滑油便通過回油孔流入軸承內部，循環使用，軸承壓蓋和回油孔阻止了潤滑油的滲漏。軸承壓蓋和軸的間隙控制在0.25 mm以內最佳，過大則容易導致潤滑油飛濺出去。維修軸承時，要將軸承和壓蓋間隙進行仔細檢查和清理，包括回油孔的清理，避免油泥堵塞，潤滑油不能起到潤滑作用。

2 軸承系統的問題與原因

2.1 軸承系統失效形式

軸承通常有如下失效形式：保持架的嚴重磨損；滾動體和內外圈都出現明顯的剝離現象；滾珠和滾道面出現卡傷現象；出現明顯裂紋；滾道面出現壓傷；滾道面出現過熱或嚴重變色；腐蝕和生銹。

2.2 軸承系統失效分析

軸承失效通常由四個因素造成，分別是生產安裝因素、潤滑因素、使用環境因素以及運行因素[4]。生產安裝因素。生產安裝過程中，有時操作不規范，如用錘子直接敲擊滾動軸承，力直接作用在滾動軸承內側面上，內側面出現剝落和凹陷。有時采用熱套法安裝，由于溫度沒有控制好，泵軸和軸承間間隙會過緊。軸承質量不合格以及運轉時軸承溫度上升，也會導致金屬疲勞程度上升。潤滑因素。滾動軸承壓強往往大于20 MPa，如果不加潤滑油或潤滑油缺少，表面接觸阻力極大，摩擦力做功將會造成發熱劇烈，表面損傷。潤滑油能夠在滾珠表面形成一層油膜，將兩表面隔開，減少摩擦阻力。但是，如果不能選擇合適的潤滑油，或者使用了劣質潤滑油，將會導致兩表面油膜無法形成，甚至長時間運行下產生碳化雜質或黏合，反而增加摩擦阻力，散熱效果變差。環境因素。離心泵的軸封通常采用填料函密封或機械密封，但是密封不嚴時，流體會濺入軸承內，導致軸承腐蝕和生銹，尤其是含氯的酸性物料對軸承腐蝕最為嚴重。位于軸承箱頂部的透氣帽被油泥或污泥堵塞，軸承長期運轉后，有一部分潤滑油被汽化，造成油氣無法排出，內部壓力遠遠高于外部氣壓，將油氣或潤滑油從內部壓出，主要是從壓蓋和軸承的密封處壓出，導致了軸承內潤滑油缺少，損壞軸承。工作環境不干凈、油氣和污泥混合等都容易堵塞透氣帽，所以需要經常清理透氣帽內固體。運行因素。如果泵軸和電機軸同心程度變差，將會導致軸承受到附加的過載沖擊，軸承內部應力急劇增大，嚴重時甚至能導致軸承斷裂崩壞。如果運行過程沒有考慮工況變化，例如離心泵的揚程等，甚至會發生氣蝕，離心泵劇烈抖動下軸承嚴重受損。

3 離心泵軸承的設計改造

3.1 軸承箱的設計優化

在軸承箱潤滑油的外部稀油站沿兩條管路流入軸承箱，一條流經內外隔套，另一條流經上軸瓦，再到下軸瓦，然后從油槽口的油路流出。如果發生故障，甩油環就可以提供潤滑油給軸承，這樣能夠避免因外部故障而導致軸承無法運行。

3.2 用擋油盤改進軸承箱的密封結構

密封環和密封端蓋之間會形成迷宮槽，然后采用擋油盤將密封槽封住。這樣做的好處是甩油環帶出的潤滑油可以在擋油盤處降壓，并且截留一部分，然后再沿著擋油盤重新回流到油池。而剩余少部分潤滑油，則可經過迷宮密封再次進行二次密封。

3.3 自制油位計

采用有機玻璃管進行加工。將玻璃管下部通過連接件與軸承箱底部連結，玻璃管上部開排氣孔與大氣相連，這樣油箱內油位可以通過油位計清楚地看到，不至于加多或加少。

4 結語

導致離心泵軸承失效的問題很多，只要妥善安裝，使用和維護，注意使用的工況要求，就能夠極大地提高軸承的使用壽命。軸承箱密封后加裝了擋油盤，使潤滑油的回流效果變好，大大節省了潤滑油的使用量。自制油位計，生產過程中可以明確知道油箱內的實際油位，不至于使軸承缺油或多油。