双基础泵组传动轴中间支撑方式的优化

□邹继国　□刘淑清　□闵思明

上海凯士比泵有限公司　上海　200245

双基础泵组传动轴中间支撑方式的优化

□邹继国□刘淑清□闵思明

上海凯士比泵有限公司上海200245

为了优化双基础泵组传动轴支撑结构，将双基础泵组按传动轴支撑形式划分为传统支撑方式和改进型支撑方式。分析了这两种支撑方式的优劣，从泵组可靠性、安装维修性、总体结构等方面进行了比较，提出了双基础泵组中间轴支撑的设计原则和方法。结果表明：双基础泵组支撑方式的改变，不仅使泵组更加紧凑，增加了泵站美观程度，减少土建工作量，还改善了泵组的维修性能和安装性能。采用泵传动轴外增加支撑管的结构设计，可以提高泵组的可靠性，对双基础泵组传动轴中间支撑的优化具有参考价值。

随着工农业生产的不断发展，泵的应用领域越来越广。在大中型发电厂、取水泵站都有立式泵的应用，而无论对于发电厂的泵房设计还是水泵站的泵房设计，除了要满足泵组本身的实用性以外，还越来越追求泵组的美观，并要求泵组富有人性化设计，国内大部分泵站均采用单基础布置，杜修瑞等［1］、刘爱国等［2］、候松岩等［3］均对单基础进行了研究。单基础泵为悬挂式结构，泵组基础上方电机位置高、质量重。泵组容易产生振动、噪声，影响泵组的稳定运行。所以泵的双基础式结构成为用户青睐的一种结构形式。

双基础可简单划分为泵层（也称为维修层）与电机层，如图1所示。双基础的特点是出水管在泵层与电机层之间，泵组载荷受到双层基础分担，水泵运行稳定，便于水泵安装和维修检查，但土建工作量较大，而对于泵层与电机层之间距离较大的泵组，该距离所用传动轴的支撑方式一直是难题。目前国内对双基础泵组的研究还未有报道，本研究对双基础跨距较大的泵站进行传动轴中间支撑方式的选择与比较，提出了泵传动轴中间支撑形式的设计原则和方法。

图1　双基础泵层与电机层示意图

1　影响泵轴跨距的因素

在机械设计上，轴承跨距为两个点之间的距离，机械领域可通过ANASYS等分析软件计算轴承跨距，如裴大明等［4］、汤本金等［5］对轴承跨距进行了相关研究。

根据泵轴跨距计算公式：

式中：L为轴的跨距，mm；d为轴的直径，mm；n为泵的工作转速r/min；s为安全因数，一般取1.3～1.5。

从以上公式不难看出，泵轴的跨距与d、n均有关系。对于一个给定的泵，转速n是定值，所以只能通过增加轴径的方式来增加泵轴跨距。

2　轴中间支撑的选择

2.1不需要轴中间支撑

通过以上分析可知，泵如果不需要中间支撑，则泵上轴承与电机下轴承之间距离要在泵轴允许跨距之内，否则必须增加轴径以满足要求。如采用增加轴径的方式，好处是泵体结构简单，维修方便。但对于双基础之间距离较大的泵组，泵传动轴为了满足跨距要求，需要加粗很多，这样不仅给设计上带来不便，材料成本也会相应增加。

图2　传统支承结构

2.2需要轴中间支撑

（1）传统设计。一般来说，泵出水管中心线标高由客户或设计院给定。为了节约成本，在不影响泵水力性能的前提下，会把泵出水弯管的高度尽量减短，如图2所示。这样，泵传动轴的下支撑点在泵体内，泵轴的上支撑最低在电机的下法兰处。如果这两处之间距离大于泵传动轴所计算出的跨距，只能通过增加泵传动轴支撑的方式来满足跨距需求。传统的支撑方式为：在合适位置安装一球轴承，轴承安装于轴承座内，轴承座采用分半式结构，这样会便于轴承的检查与维修。轴承座传递的传动轴径向力在一水平横梁上，横梁两端用地脚螺栓固定在基础上。这样轴的径向力由轴承通过横梁传递到混凝土基础墙上。另外，泵联轴器处于电机层下方，在安装联轴器时，必须通过脚手架来协助泵组的安装。

这种传统设计的好处是轴承支撑方式简单，泵传动轴支撑刚性好，可以解决泵传动轴跨距不足的问题，现场安装时轴系对中方便，但需要在双层基础之间有一距离较近的混凝土高墙。高墙上须预留地脚螺栓孔和预埋钢板，并要求预埋钢板位置精度高，横梁的拆卸安装复杂，增加了泵组安装的难度，增加了与设计院的接口尺寸，容易发生错误。

（2）改进设计。改进设计的原则为：①支撑数量及分布合理，有足够的刚度和强度，结构简单，安装、检修、维护方便；②轴承体支撑可靠、稳定、油脂易于更换；③泵成本须低，要有竞争力。

通过与传统支撑方式优劣的对比分析，结构上的改进主要是：取消泵传动轴支撑所用横梁，改进填料函的设计，增大填料函的积水盘直径，并在填料函积水盘外圆处间隔120°攻3个螺纹通孔，如图3所示。在螺纹孔内安装3个调整用螺栓，增加2个合适长度的泵传动轴支撑管，2个支撑管中间安装球轴承支座，适当增加电机座高度，并在电机座框架下部焊接一法兰平面。上支撑管用螺纹紧固在上层基础的电机座下法兰平面上，并与电机座下法兰采用止口配合。下支撑管与上支撑管用螺栓紧固，也是止口配合，下支撑管下端采用轴向松连接，即：下支撑管下端不采用任何轴向固定的方式与出水弯管或填料函连接，而将下护套管的长度设计成能插入填料函积水盘中适当距离。这样设计的优势在于可吸收水泵基础之间距离的略微偏差或者零件的累积误差。在下支撑管插入积水盘中后，用积水盘上3个螺栓调整支撑管的径向位置，以达到调整轴承对中的目的。在上下支撑管上开几处合适大小的手孔，以便更换填料和轴承检查。但因该泵属于立式泵组，叶轮与叶轮室之间间隙由泵联轴器处的调节螺母来调节，采用这种结构，联轴器须在电机层上方，原因是联轴器承受整个转子的重力及水推力（向下）。联轴器法兰较大，如果仍处于电机层下方，支撑管的直径会相应增大，而且电机框架的一般选用高度为200～300 mm的H型钢焊接而成，联轴器会处于H型钢中，不方便联轴器的安装及叶轮间隙的调节。通过增加电机座的高度，联轴器处于电机层上方，电机座会设计2个手孔，人孔设计应符合人手运动范围［6］，安装人员可以方便地进行水泵的安装、检修或解体工作。

图3　改进型支撑结构

改进后设计的优势：不仅使传动轴的支撑刚性好，还可以解决泵传动轴跨距不足的问题，现场安装轴系对中也简单，而且无需另外搭建混凝土墙作为泵传动轴的支撑，减少了土建方面的工作，增加了泵的完整性和美观性，结构简单，安装、检修、维护费用低，泵传动轴支撑稳定、可靠。

现在该结构已在我国台湾福临泵站SEZ型泵2个型号上得到了应用。另外在江苏太仓供水泵站SEZ型泵3个型号中也得到了应用，在土建工作量减少和维修的便利性上得到客户好评。

3　结论

（1）泵组双层基础结构，基础层之间距离、泵的轴径、泵的转速决定了泵组的支撑形式，支撑形式影响泵组的美观性、安装维修性。

（2）若用增粗轴径的方式满足跨距要求，泵传动轴需增粗许多，从设计和成本上考虑，不建议采用。

（3）泵轴的支撑形式分为传统支撑与改进型支撑，设计时，在保证安全可靠的前提下，尽量选择泵

组完整性强，维修方便，土建工作量小的支撑形式。

（4）改进型支撑与传统支撑相比，改进型支撑具有维修方便、美观、费用低等优点，应优先选用。

［1］杜修瑞，赵玉明.单基础立式轴流泵在泵站工程中的应用［J］.治淮，2011（2）：37-38.

［2］刘爱国，彭九华，郭云，等.小型单基础立式轴流泵站在农村土地综合整治中的应用［J］.湖南水利水电，2013（5）：77-80.

［3］侯松岩，龚训英，刘伟民.潜水电泵和单基础立式轴流泵使用特点分析［J］.黑龙江水利科技，2001，29（4）：40.

［4］裴大明，冯平法，郁鼎文.基于有限元方法的主轴轴承跨距优化［J］.机械设计与制造，2005（10）：44-46.

［5］汤本金，孟凡富.基于ANASYS的主轴轴承跨距的优化设计［J］.中国制造业信息化，2011，40（4）：31-33.

［6］成大先.机械设计手册［M］.5版.北京：化学工业出版社，2007.

In order to optimize the support structure of pump transmission shaft with bases，the support form of the pump transmission shaft with dual base is divided into two i.e.the traditional support and the improved support.By analyzing the advantages and disadvantages of these two support modes，and comparing the two modes in pump reliability，installation maintainability and overall structure，the design principle and mode that adopts the support of pump intermediate shaft with dual bases was proposed.The results show that：When the pump with dual bases changes its support mode，the pump is more compact in size，the aesthetic level of the pump set is increased，the workload of civil engineering is reduced，the maintainability and installation performances of the pump set is improved.The physical design of additional support tube outside of pump transmission shaft could improve the reliability of the pump and provide a reference value to optimize the intermediate support of pump transmission shaft with dual bases.

双基础泵组；支撑形式；结构设计

Pump Set with DualBases；Support Mode；PhysicalDesign

TH313

B

1672-0555（2016）02-048-04

2016年1月

邹继国（1982—），男，本科，工程师，主要从事立式混流泵和轴流泵的设计工作