弹性支撑推力轴承在大型立式泵机组中的应用

2012-05-02魏强林

上海大中型电机 2012年2期

魏强林

(江苏省江都水利工程管理处，江苏江都 225200)

0 引言

连云港市临洪东站位于连云港市新浦区，为沂沭泗洪水东调南下配套工程，承担蔷薇河流域1054 km2抽排任务。该泵站原安装ZL－30－7型轴流泵配TDL－3000－40/3250型同步电机12台套(2台备用)，总装机容量36000 kW。2009年对该泵站进行更新改造。改造后的12台主泵选用3100ZLB30－2.93型立式半调节轴流泵，配套的TL2000－48/3250立式同步电动机，单机流量30 m3/s，设计扬程3.6 m。

1 弹性支撑推力轴承的结构

图1 弹性支撑推力轴承

临洪东站的机组改造中，采用了弹性支撑推力轴承。弹性支撑推力轴承的结构如图1所示[1]。主要由推力头(包括镜板)、圆形推力瓦、碟形弹簧、承板等部件组成。推力头与镜板一体化，由45号钢锻制成形，镜板面经精密机械加工和抛光。推力瓦为圆形，瓦面采用巴氏合金，背后联有一固定轴，起水平方向限位作用。碟形弹簧为薄型钢板冲压成形，呈空心圆台体。上、下两平面经过机械精密加工研磨，高度误差在0.01 mm以内。推力瓦背后小轴固定于承板的孔内，轴上的密封圈使推力瓦在水平方向有微量移动，有利于推力瓦与镜板之间油膜的形成和保持。

2 弹性支撑轴承的应用分析

2.1 推力瓦间受力分析

大型立式水泵机组运行时，电机推力轴承的每一块推力瓦，都承受着一定的轴向力。推力瓦与镜板摩擦产生的热量使推力瓦温度升高。当油缸冷却器内冷却水带走的热量与轴承摩擦产生的热量达到一致时，各部温度趋于平衡稳定。根据规范要求[2]，大型立式水泵机组电机滑动推力轴承安装，要求所有8块推力瓦工作面在一个水平面上，保证镜板水平，所有推力瓦受力均匀。根据现有的安装条件，规定镜板水平最大误差不超过0.02 mm/m。而在实际工程中，由于泵站站房受到上下游水位差变化、站房基础不均匀沉降等因素的影响，进一步加大了推力瓦和镜板的不水平度。

弹性支撑推力瓦在瓦底部采用了蝶形弹簧支撑，刚度大大减小。当推力瓦高度差在0.02 mm时，蝶形弹簧可使各块推力瓦不均匀受力程度控制在10%范围内[2]。这种推力轴承的蝶形弹簧具有自动调平功能，从而使所有推力瓦受力基本均匀。蝶形弹簧均载能力与蝶形弹簧的刚度、工作载荷以及轴瓦高差有关。蝶形弹簧刚度越大，均载性能越差;刚度越小，均载性能越好。在选择时，一般在满足强度要求的条件下尽量降低蝶形弹簧的刚度。在安装时，碟形弹簧已承受负载，发生一定量变形，运行中当负载增加或减小时，碟形弹簧均载性能将显示出来，减小推力瓦温升差。

2.2 推力瓦面受力分析

推力轴承瓦面为分布荷载，单块推力瓦受力大小一定时，推力瓦的支撑方式对推力瓦面的压应力分布、推力瓦力变形和热变形、以及瓦面润滑油膜厚度分布都有着很大的影响。如图2(a)所示，弹性支撑推力轴承圆形推力瓦采用蝶形弹簧支撑，蝶形弹簧为空心圆台形，上下两个平面均为圆环，套在瓦基柄上，上平面与推力瓦的背面接触，形成环形支撑结构。如图2(b)所示，当推力瓦承载时，蝶形弹簧对推力瓦背面形成圆环分布荷载P2，微量机械变形呈现支撑环内部及外围低、支撑环处高、瓦面呈现“M”形的力变形。由于距支撑环较近，外围区域挠度较刚性支撑推力瓦小。另一方面，瓦面的热变形仍为向上凸起，支撑环内部区域受力引起的凹变形与热膨胀引起的凸变形相互抵消，减小了瓦面中部区域的变形，瓦面除边缘区域有很小的挠度外，中间大部区域较为平整(如图2(b)中虚线所示)，这有利于整个瓦面应力q2的均匀分布，保证瓦面油膜形成，改善润滑性能，提高了推力瓦的运行可靠性。

2.3 推力轴承抗冲击分析

图2 弹性支撑推力瓦

水泵机组在运行过程中，电机推力轴承会受到机组振动等多种因素引起的冲击作用，产生轴向冲击力，推力瓦受力剧烈变化。在这种情况下，刚性支撑扇形瓦由于支撑刚度大，受力会随之急剧变化，容易造成瓦面的疲劳破坏;并且高频率连续不断的振动和冲击，会破坏瓦面的润滑油膜，导致摩擦力增大、推力瓦过热，甚至烧损。弹性支撑圆形推力瓦由于蝶形弹簧的弹性作用，具有较好的吸震能力，大大减小了对瓦面的冲击，使得瓦面受力随时间的变化减小，有利于油膜的形成与保持。

2.4 安装检修分析

大型立式电机弹性支撑滑动推力轴承，依靠生产厂的精密加工和精密测量，保证推力瓦、弹簧及承板外形尺寸的精度。同一台机组的所有推力瓦表面一次加工成形，高度误差不超过0.01 mm，碟形弹簧的上下两接触面高度误差也不超过0.01 mm，组装后，高度累积误差不超过0.02 mm。新机组安装时，因圆形推力瓦和碟形弹簧都经过精度机械加工，不需要进行人工研磨，在调整好电机上机架水平的情况下，直接将推力瓦和碟形弹簧安装到位，即能基本满足水平和受力均匀的要求，减少了安装过程中的测量调整工作量。在机组检修时，通常将所有推力瓦放置于碟形弹簧上进行研磨，集中刮瓦，即能保证所有瓦面在同一水平面上，减少了研刮环节，大大缩短了安装时间，减轻了安装工作量。