高能量單級懸臂離心泵滾動軸承組溫升過高原因分析

張翼飛 金寧寧

（江蘇雙達泵業股份有限公司）

國內某大型煉化公司冷卻水站大型高能量單級懸臂式離心泵（OH2）在出廠試驗時發現軸承溫升過高，由于該泵的運行地點位于中國最南部地區，夏季氣溫經常高達40 ℃以上，因此客戶對該泵的軸承溫升提出了不能超過40 ℃的限制要求，并將此作為產品驗收條件之一。 該批產品共計3臺， 在制造廠首次進行4 h運轉試驗時都出現了驅動端推力軸承溫升超過40 ℃的情況，因此被客戶判定為不合格，不予接收。

經公司技術人員分析研判， 排除了潤滑油、油量、回油槽、軸向力、徑向力、轉子聯軸器、軸系剛度及聯軸節對中等可能導致軸承溫升高的可能性，最終判定，滾動軸承軸向預緊力不當可能是導致軸承溫升過高的根本原因。

1 泵基本結構參數及特征

泵基本結構如圖1所示。 該泵為大口徑單級單吸懸臂離心泵，流量大、揚程高、配套電機功率大，按照離心泵設計理念，該泵已是單級懸臂離心泵結構的最大規格；按API 610標準，該泵屬于高能量離心泵。

圖1 泵基本結構

泵的結構參數如下：

使用殼牌（Shell）V68標準潤滑油進行軸承潤滑。 本泵所選用的軸承架是技術成熟的配置標準軸承的軸承架。

2 軸承溫升高原因分析

因為該泵是成熟技術的標準產品，所以首先排除了因軸向力、葉輪水力、潤滑油選擇、軸承架結構及軸承型號選擇不合理等因素引發軸承溫度過高的可能性。

由圖2、3可知，該泵軸承架驅動端（DE）軸承為預緊力結構配置方式，泵驅動端（DE）軸承架使用一組（2個）角接觸軸承，面對面安裝，軸承兩側各有一組（10個）小彈簧作用在軸承外圈上。 安裝軸承時， 小彈簧被全部壓縮進入彈簧安裝孔內，起到軸承預緊作用， 彈簧組所產生的總預緊力Fa為10個彈簧彈性壓縮變形后產生的彈力的合力。

圖2 彈簧預緊力方式安裝軸承組（DE）

圖3 軸承預緊力

相比常規非預緊軸承安裝方式，該高能量單級懸臂式離心泵軸承預緊安裝方式是在軸承兩側安裝了施加預緊力的彈簧，并且軸承壓蓋與軸承外圈保留有0.1 mm左右的間隙， 具體如圖4所示。

圖4 非彈簧預緊力方式安裝軸承組

根據SKF滾動軸承產品手冊， 軸承預緊力安裝方式主要適用于較重型荷載場合。

根據文獻［1］，滾動軸承軸向預緊實際就是在軸承安裝后，使用某種方式在軸承內圈和外圈上沿軸向施加一個恒定的作用力并保持，使軸承內外圈沿軸向產生一定的相對移動，一方面可以消除軸承內部游隙， 另一方面又同時使滾子和內、外圈緊密接觸，并產生一定變形。 由于這個變形不是軸承承受工作荷載產生的，因此被稱為預變形。

由于軸向預緊力的作用，滾子和內、外圈接觸后產生彈性變形，并使滾子與內外圈的接觸面積增大，參與承受作用力的滾子數量增多，這樣的效果比少數滾動體接觸受力的情況更好，而且還可承受更大的受力。

根據文獻［2］中的研究成果可知，在轉速、荷載一定的情況下，軸向預緊力越大軸承運轉過程中產生的熱量越多（圖5），因此可以通過減小軸承預緊力的方式， 降低軸承運行時所產生的熱量。

3 改善措施及效果

由于所使用小彈簧的彈性系數和彈簧的長度（可壓縮量）是固定的，為方便減小預緊力，采用了減少彈簧數量的方法。 具體做法是將原來每一側所配裝的10個小彈簧減少為5個， 軸承兩側一樣，通過這種方式，將軸向預緊力減小了一半。按照文獻［1］的研究成果，軸承運行時產生的熱量應減少一半，從而起到降低軸承溫度的作用。

由預緊力調整前后軸承溫升數據可以看出，預緊力調整后推力軸承組溫升降低了15 ℃左右（圖6），確實達到了降低溫升的作用，詳細數據見表1。

表1 軸承溫升數據 ℃

圖6 預緊力調整前后的軸承溫升數據

通過采用減小軸承預緊力的方式，3臺泵的驅動端軸承溫升幅度都得到了有效降低，因此確認軸承預緊力不合適確實是導致軸承溫升過高的根本原因。

進一步查閱該產品的設計手冊，得知軸承預緊結構僅是一種建議的方式，但關于軸承預緊力的控制并沒有描述。 本次企業按自己的理解，配置了預緊彈簧，事實證明預緊力過大會導致軸承溫升過高，但目前這方面研究并不多見。

4 結論及建議

4.1 滾動軸承軸向預緊一般用于較大型重載荷軸承組工況使用。

4.2 對于安裝預緊彈簧的推力滾動軸承組，預緊力的大小會影響運行時產生的熱量的多少，直接影響軸承溫升，因此應引起重視。

4.3 合適的軸承預緊力值不是固定的，會根據不同荷載條件變化而變化，因此應根據軸承正式工作時承受的載荷大小和需要的軸承溫升界限選擇一個最佳值； 一般小載荷時可施加較大預緊力，大載荷時應施加較小預緊力，應通過運轉試驗獲得最佳預緊力值。

4.4 當選用預緊彈簧方式安裝軸承時，最好直接配置輔助風扇冷卻，這樣如果因預緊力不當而發生軸承溫度偏高的情況時，可以通過風扇直接將熱量帶走，達到降低軸承溫度的效果。