弹性支撑圆形推力瓦立式滑动轴承应用研究

2013-12-10张小兵张建峰庄前兵

上海大中型电机 2013年3期

张小兵，张建峰，庄前兵

(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏江都 225200;2.连云港市水利建筑安装工程有限公司，江苏连云港 222000)

0 引言

连云港市临洪东泵站建于1978年，位于连云港市北郊，距离市区10 km，临洪闸下游800 m临洪河东侧，和临洪闸等一起组成临洪水利枢纽工程，承担着蔷薇河流域防洪排涝任务，是保障连云港市区工农业生产和人民生命财产安全的重要水利工程。由于工程现状难以安全运行，2009年对该站进行了更新改造。更新改造建设内容为，更换12套主机泵，更换主变及高低压配电设备、检修闸门及快速闸门，泵房砼结构加固改造等。

传统大型立式推力滑动轴承的运行检修要求较高，江苏省连云港临洪东泵站首次采用了新型弹性支撑圆形推力瓦立式滑动轴承。该轴承有新颖的结构形式和使用特点。由于没有规范和经验可循，我们通过对12台机组的安装实践总结了一套此种轴承的安装工艺与施工流程，在连云港临洪东泵站12台机组的安装实践中取得了圆满的成功。

1 弹性支撑圆形推力瓦立式推力滑动轴承的主体结构及原理

与传统大型立式推力滑动轴承的结构相似，新型立式推力滑动轴承主要是由推力头、导轴承瓦、导轴承座、镜板(新型轴承该部件和推力头做成整体)、推力瓦、冷却器、承板等几大部分组成的应用液体润滑承载原理的装配系统，浸在电机上机架油缸内。其中，推力瓦是推力轴承中的重要部件，是整个机组转动部分和固定部分的摩擦面，且承受整个机组转动部分的重量和轴向载荷。

新型立式推力滑动轴承与传统立式推力滑动轴承的工作原理相似，均由推力头和镜板承受轴向荷载，通过镜板与推力瓦间润滑油膜的承载将力传递给推力瓦，并由推力瓦承受整个机组转动部分的重量。同时由于油箱中冷却器的作用，使油温维持在适宜温度或不至于过高，以免影响轴承的正常工作。

新型轴承的推力瓦为圆形，下有碟形弹簧且支撑在承板上(犹如反扣在承板面上的碟子)。推力瓦及蝶形弹簧如图1示，承板及推力瓦装配见图2。推力瓦与推力头下平面之间形成油膜，承受旋转机械向下的轴向推力。油膜的建立及厚度与润滑油的粘度、转速、推力大小等因素有关。

图1 推力瓦及蝶形弹簧

图2 承板、推力瓦装配

2 安装方法

2.1 按常规方法找正水泵、电机及上机架的水平

一般对于刚性支柱的推力轴承，定子安装时整体水平度不需要严格控制，水平偏差控制在0.03 mm/m以内。镜板的水平可以通过调整刚性支柱进行调整。如水平与铁心垂直不能同时满足时，首先要保证铁心垂直，水平可用加垫的办法来调整。但对于这种无支柱螺钉的碟形弹簧支撑圆形瓦推力滑动轴承，通过其结构我们得知绝缘承板与上机架是一体的，承板放在绝缘承板之上，而碟形弹簧支撑圆形瓦是直接放置在承板上的。所以其标高由严格的加工水平来控制，水平的基础是定子的水平。考虑到此种推力轴承为碟形弹簧支撑结构以及上机架的结构特点，水平偏差必须控制在0.02 mm/m以内，也就是说其定子的水平度、垂直度要求较高。

2.2 找正电机轴与水泵轴的同心

1)将轴承油室、推力头及轴颈清洗干净(最后用无水酒精擦洗干净)。

2)用制动闸顶起转子，在推力瓦上涂润滑脂，下落制动闸，取出制动闸上的临时垫铁，使转子重量落到推力瓦上。

3)将承板及圆形推力瓦组件装入上机架轴承油室中。注意需装防转销的推力瓦在装配时，承板上的防转销一定要对正推力瓦上的圆弧缺口。

4)套入推力头。套入时注意不要挤坏挡油筒上的浮动密封挡圈。

5)装好上、下导瓦座，并装入上、下导瓦。在电机下导及水导处，按圆周进行8等分，调水平使水平基本符合要求。

6)调整转子使定、转子的气隙均匀(不均匀度在10%以内)。

7)锁紧调节螺栓将上、下导瓦与转轴抱紧后按调节螺栓上的刻度均匀松3～5格(每格0.01 mm，即单边留出0.03～0.05 mm导瓦间隙)。因弹性支撑的推力瓦结构与刚性支撑完全不同，必须要抱下导瓦盘车。

8)将水泵轴与电机轴连接。

9)在上导、下导、法兰、水导处按X、Y方向各设2只千分表，并在法兰处按圆周做1、2、3……7、8等分标识，盘车，记录千分表在各等分位置的数据。

10)根据所测数据确定联轴器的铲刮量及移动量。

11)将铲刮好的联轴器联接好后重复第10、11条，机组轴线相对摆度允许值见表1。

表1 机组轴线相对摆度允许值 mm

12)将调整好的联轴器用铰制螺栓联好，并做永久性标识。

2.3 整体安装

1)定中心，调整各部间隙。

安装电机上下油槽内的油冷却器，并做好水压试验。

盘车定中心:加工一只抱箍。抱紧在下导轴颈处，架设一只百分表架，其百分表指针指向水导轴窝的上止口上，以某一个方位为准。盘车360°，百分表读数对0，再按90°盘车，并记录百分表变化后的读数记录，盘四个方位进行比较。调整上导瓦支承螺钉，直到水导处的百分表读数对应位置差值在0.04 mm范围之内。

定轴抱瓦:当中心调整好后，在水导轴窝处按90°方位架设两只百分表监视。用两只专用小千斤顶同时抱导轴瓦。轴瓦抱紧后，百分表读数复归为0位。抱瓦时先抱下导瓦，后抱上导瓦。

2)再次盘车检查水导处是否有碰磨以确保轴的同心，使水泵水导处间隙均匀。

3)如水导处无碰磨，则将上、下导瓦的调节螺栓按刻度松10～12格(即导瓦间隙调整为0.15 mm左右)，并将调节螺栓上的止动螺钉锁紧以防止调节螺栓松动影响导瓦间隙。

4)装好其他零部件。

5)注入适量的润滑油至规定的油位(注意:润滑油必须经过严格的过滤以免影响轴承的正常运行)。

3 弹性支撑圆形推力瓦立式推力滑动轴承的关键部件及优点

1)新型轴承的关键部件为碟簧(碟形弹簧)，它是一种几何尺寸小、承载能力强(传递载荷集中)、单位体积变形量大、缓冲减振性好的弹性元件。碟形弹簧的界面呈浅圆锥状，为一轴对称的回转体。

2)采用蝶形弹簧支撑的圆形推力瓦(他们都支撑在加工到同一厚度的碟形弹簧上)，主要优点有以下几点:

(a)利用碟形弹簧的自适应能力及阻尼特性，使每块推力瓦具有自动调平功能，抗冲击载荷强、变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小，结构紧凑;亦可抑制任何可能出现的冲击载荷。另外，由于油膜的刚度比碟簧的刚度大，推力瓦的压力分布是均匀的，而不会出现瓦块的超载现象，从而提高了它的承载能力。采用碟形弹簧以后，推力瓦在设计工况下，受力均匀度控制在10%以内，而油膜厚度的差异仅为0.5%～1%。

(b)蝶形弹簧的承载能力强，而且变形量也很小，具有较好的缓冲吸震能力。经过优化计算和选择，不会产生疲劳破坏，可满足长期的使用要求。

(c)采用圆形瓦面，消除了采用扇形瓦面时的边缘效应。另外，圆形瓦的热变形和弹性变形容易计算，这样便于瓦块的优化设计，选择更合理的瓦块直径与其厚度的比值。

(d)圆形推力瓦在运行中可以自动调整倾角，比一般的可倾瓦具有更好的调整效果，且其承载能力比传统的可倾瓦大。同时，其制造成本低于传统的可倾瓦，安装、使用方便。

(e)这种结构形式的轴承安装时允许较大的摆度。在现场安装，不需要进行刮瓦等，十分方便。

(f)当出现推力面(镜板)与推力瓦不垂直时，有效保护导向瓦的安全。

4 推力瓦受力分析

当出现推力面(镜板)与推力瓦不垂直时，上、下导瓦将轴系垂直抱紧时，上、下导瓦受力差异及推力瓦受力差异的分析如下。

4.1 下导及法兰面的单边摆度与推力瓦与推力面不垂直高度差的关系

下导及法兰面的摆度如图1所示。

图1 下导及法兰面的摆度

图中:δ1为推力瓦与推力面不垂直高度差;δ2为下导处单边摆度，δ2=0.22 mm;δ3为法兰处单边摆度;L1为下导到上导的距离，L1=3 000 mm;L2为法兰处到上导的距离;R为推力瓦距轴线的距离，R=332.5 mm;F1为上导瓦所受水平力(径向力);F2为下导瓦所受水平力(径向力);Fk1为推力瓦下沉处的受力;Fk2为推力瓦上浮处的受力;k为蝶形弹簧等效刚度，k=130 000(N/mm);

根据几何关系δ1/2R=δ2/L1=δ3/L3

故δ1=2R×δ2/L1=2×332.5×0.22/3 000=0.0 487(mm)

4.2 受力分析

当用上、下导瓦将轴系垂直抱紧后，以上导瓦为支点，列力矩平衡式:

由此可得:F2=R×k×δ1/L1=332.5×130 000×0.048 7/3 000=701.7(N)

由平衡条件可得:F1=F2=701.7(N)

推力瓦受力差值为△F=k×δ1=130 000×0.048 7=6 331(N)

4.3 结论

导瓦工作安全，附加力仅为701.7 N，非常小。

由于蝶形弹簧作用将高差为0.048 7 mm的不平量仅转化为6 331 N的不平衡力，相对28 t的转子自重(每块瓦受力为3.1 t)仅增加0.2%的负荷，工作安全。

如果立式推力滑动轴承采用刚性支撑推力瓦结构，在此状态下因刚性支撑推力瓦不可压缩，k值将非常大，0.048 7 mm的推力瓦承载面高度差将导致各推力瓦之间受力相差很大而引起推力瓦局部过载导致烧瓦。

5 运行情况

2011年7月20日9时，连云港市临洪东泵站更新改造工程建设处主持进行了临洪东泵站工程试运行工作。试运行过程中，12台主机泵均一次启动成功，启动平稳，运行期间设备运转稳定、正常，各仪表指示基本正确，机组各部位运行正常，运转过程中振动值、噪音均满足规范。主要设备技术性能指标及主要技术参数达到合同的要求，上导轴承、下导轴承及推力轴承的运行温度平稳，均不超过60℃。