無軸電泵推力軸承設(shè)計(jì)

李星

無軸電泵的葉片安裝于轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，中心無軸，定子采用耐水線繞組，與普通潛水泵相比，具有通過性好的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別適用于含有大顆粒雜質(zhì)的流體環(huán)境，機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，極大降低了泵系統(tǒng)的故障率，轉(zhuǎn)子內(nèi)筒可附加剪切刀片，能夠應(yīng)用于包含更大顆粒雜質(zhì)的流體環(huán)境，因其特殊結(jié)構(gòu)，對(duì)推力軸承性能要求很高。第一，無軸電泵的推力軸承布置在葉片的外緣，其摩擦線速度大于葉片外緣的線速度，為了保證水泵正常運(yùn)行和足夠的氣蝕余量，泵的nD值一般在300-500，也就限制了水泵葉輪最外緣的線速度，通過計(jì)算得到其葉片外緣的線速度在20m/s以上，其推力軸承副的線速度更大。第二，推力軸承承擔(dān)葉片上所有的推力，一臺(tái)50kW無軸電泵的承載推力大約為10kN。基于無軸電泵的推力軸承工況特點(diǎn)，因此推力軸承材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

近年來非金屬?gòu)?fù)合材料軸承已經(jīng)逐步取代一部分金屬材料軸承，具有成本低，摩擦系數(shù)低等優(yōu)勢(shì)。非金屬?gòu)?fù)合材料軸承可不需油潤(rùn)滑，水可充當(dāng)冷卻劑和潤(rùn)滑劑，對(duì)環(huán)境無污染，因此在泵上的運(yùn)用越來越廣泛。在水潤(rùn)滑條件下，非金屬?gòu)?fù)合材料軸承需滿足啟停或低速時(shí)具有摩擦系數(shù)小、高耐磨特性，比傳統(tǒng)材料更容易形成水潤(rùn)滑膜。考慮到軸和推力軸承是一對(duì)滑動(dòng)摩擦副，其摩擦力和線速度越大，摩擦產(chǎn)生的熱越多，若超過允許的熱量，會(huì)導(dǎo)致軸承燒毀，推力軸承需要首先計(jì)算工作壓力和發(fā)熱量，來指導(dǎo)選擇軸承材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表達(dá)式為：

以300mm口徑的無軸電泵為例，根據(jù)轉(zhuǎn)速及軸承載荷，確定其軸承尺寸參數(shù)和工況如表1：

通過計(jì)算后，擬采用一種鋼背聚四氟乙烯復(fù)合材料作為其軸承，聚四氟乙烯復(fù)合材料通過釬焊工藝附著在鋼背上，結(jié)合強(qiáng)度大于20MPa，摩擦系數(shù)小，比傳統(tǒng)材料使用壽命更長(zhǎng)，材料的性能參數(shù)如表2：

為了利于形成水潤(rùn)滑，結(jié)構(gòu)上將環(huán)形的推力軸承分為8個(gè)部分，有助于流體水進(jìn)入摩擦副表面，對(duì)摩擦副表面進(jìn)行冷卻和形成水潤(rùn)滑膜。通過仿真驗(yàn)證推力軸承是否具備形成水潤(rùn)滑條件，選定軸承的其他參數(shù)如下：

（1）潤(rùn)滑方式：水潤(rùn)滑;

（2）工作溫度：20℃;

（3）20℃下水的動(dòng)力粘度為0.001Pa.s，密度為1000kg/m3。

推力軸承潤(rùn)滑計(jì)算結(jié)果如表3 和圖1所示。

在給定潤(rùn)滑介質(zhì)為水的情況下，由仿真計(jì)算結(jié)果可知，在給定的軸向承載力為9.2kN的條件下，形成的最小水膜厚度分別為6μm，且形成的最大承載壓強(qiáng)為1.26MPa，約是平均比壓的3倍，能夠形成良好的動(dòng)壓潤(rùn)滑。

最后，在水潤(rùn)滑推力軸承試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)泵上安裝測(cè)試了此軸承，其摩擦阻力相對(duì)于舊軸承降低了30%，平衡態(tài)溫升下降了3°C。