单级单吸悬臂离心泵轴承使用寿命计算分析报告

王斌

（安徽富乐泰水泵系统有限公司，安徽 宁国 242300）

1 参数介绍

NDX200/400为卧式单级单吸离心泵，其设计工况点为：Q=610m3/h，H=55m，η=83%，r=1485rpm，N=132kW/4p；泵为单级单吸悬臂式结构（如图1），该泵前、后端均采用SKF6411轴承，叶轮为单吸双密封环结构，叶轮平衡孔平衡大部分轴向力，剩余轴向力由轴承承受。

图1 结构图

据泵的设计工况及叶轮等零件的设计图纸汇总列表如表1相应技术数据表。

表1

根据上述相关技术数据，我司编制了泵轴承寿命计算报告。

2 轴向力计算T

2.1 未平衡前轴向力计算T1（按设计流量计算）

设计参数：流量Q=610m3/h=0.169m3/s,扬程H=55m,转速n=1485r/min

未平衡总轴向力：

式中，π为圆周率，取值3.14；ρ为密度，按清水计算，取值1000kg/m3；g为重力加速度，取值9.81；Hp为叶轮势扬程,可见上式中计算结果Hp=44.05m；R2为叶轮外圆半径，R2=0.209m；Rm为叶轮密封环处半径，Rm=0.13225m；Rh1为叶轮轮毂半径，Rh1=0.039m；ω为角速度，可见上式中计算结果ω=155.43rad/s。

根据计算得出：

未平衡总轴向力：

2.2 平衡孔平衡力计算A

根据叶轮图纸显示（图纸附后），该泵前后均有密封环，采用平衡孔来平衡轴向力,计算平衡的轴向力如下：

式中，λ为水阻力系数，λ=0.04～0.06。计算取λ=0.04；b为密封环的单向间隙，根据设计图纸查看，b=0.00035m。

式中，Hp为叶轮势扬程,可见上式中计算结果Hp=44.05m；u2为叶轮外径处圆周速度=32.48m/s；uB为平衡孔处圆周速度，可见上式中计算结果uB=10.49m/s；ξm为密封间隙阻力系数，可见上式中计算结果ξm=2.757；ξB为平衡孔阻力系数，通常ξB=2；Fm为密封间隙过流面积，可见上式中计算结果Fm=0.00029m2；FB为平衡孔总面积，可见上式中计算结果FB=0.00047m2。

∴泄漏量

根据计算得出平衡孔平衡力A：

2.3 动反力计算T2

叶轮进口面积：

叶轮进口半径Rj=0.125m

面积Aj=πRj2=3.14×0.1252=0.0490625m2

叶轮轮毂半径Rh1=0.039

面积Ah1=πRh12=3.14×0.0392=0.00477594m2

∴进口面积=Aj-Ah1=0.00490625-0.00477594=0.04428656m2

动反力T2=ρQ(vmo-vm3cosα)

式中，Q为水泵流量,流量Q=610m3/h=0.169m3/s；

vs为进口流速，可见上式中计算结果=3.816m/s；

vm3cosα=0

根据计算得出动反力T2=ρQ(vmo-vm3cosα)=645N

2.4 剩余轴向力计算T

剩余轴向力：T=T1-A-T2

式中，T1为未平衡总轴向力，可见上式中计算结果T1=16492N；A为平衡孔平衡力，可见上式中计算结果A=12252.2N；T2为动反力,可见上式中计算结果T2=645N；得出：剩余轴向力：T=T1-A-T2=16492-12252.2-645=3594.8N。

3 径向力计算

径向力：F=ρgKrHD2B2

式中，H为实际运行泵扬程，H=55m；D2为叶轮外径，D2=0.418m；B2为包括盖板的叶轮出口宽度，B2=0.058m；Kr为实验系数，可按Steponff公式计算

（QN—最高效率点流量QN=650m3/h,以实际运行流量为Q=610m3/h考虑）得出径向力F=ρgKrHD2B2=1000×9.81×0.043×55×0.418×0.058=562.5N。

4 轴承寿命计算

4.1 轴承结构形式与规格

经查技术文件得：前后两端采用SKF 6411-C3/2R1深沟球轴承。

额定静载荷CO=62000N,(查《SKF轴承综合型录》)。

额定动载荷C=99500N(查《SKF轴承综合型录》)。

图2

4.2 轴承的径向载荷、轴向载荷

轴向载荷Fa=T=3594.8N；径向载荷Fr=F=562.5N。

4.3 当量动负荷计算P

查《SKF轴承综合型录》,fo=12

计算系数 :fo·Fa/CO=12×3594.8/62000=0.696(公式引用《SKF轴承综合型录》)根据《SKF轴承综合型录》，查C3游隙：得出相关系数e=0.36，X=0.46，Y=1.51。

∵ Fa/Fr=3594.8/562.5=6.39＞ e(e=0.37)。

∴当量动负荷

P=XFr+YFa=0.46×562.5+1.51×3594.8=5687N

4.4 轴承的额定动负荷

综合考虑轴承的运转速度、使用寿命、负荷性质及使用温度各种因素，额定动负荷按下式计算：

计算的额定动负荷C值应小于轴承样本规定的所用型号轴承的基本额定负荷C值。

式中，fh为寿命系数，按《叶片泵设计手册》，球轴承查表如表2。

表2 球轴承的寿命系数fh

轴承使用寿命Lh=17500h（连续运转2年）来计算。

fF为载荷系数，同上查表3。fn为速度系数，同上球轴承查表4。ft为温度系数，同上查表5。P为当量动负荷（N）。

表3 载荷系数fF的经验值

表4 球轴承的速度系数fn

表5

查表结果：球轴承寿命系数fh=3.27；载荷系数fF=1.1；温度系数ft=1；球轴承速度系数fn=0.284。

（1）计算额定动负荷：

（2）轴承基本额定动负荷。(查《SKF轴承综合型录》）与计算额定动负荷比较查SKF轴承手册轴承基本额定动载荷C=99500N＞计算额定动负荷C(72028.7N)。

结论：根据计算结果与轴承手册基本额定负荷比较，设计选用的轴承类型（SKF 6411-C3）和规格可以满足安全工作要求。

4.5 轴承使用寿命计算

SKF手册确定的轴承寿命计算方法

L10h=(106/60n).L10

式中，L10h为基本额定寿命（90%可靠性），工作小时；n为工作转速,n=1485r/min；L10为基本额定寿命（90%可靠性），百万转。

L10=(C/P)p

式中，C为基本额定动负荷，C=99.5kN；P为当量动负荷，P=5.687kN；p为寿命公式中的指数，球轴承为3。

计算轴承使用寿命：

4 结语

该泵型在额定流量点（Q=610m3/h，H=55m）轴承寿命满足客户要求17500h要求；根据此计算方法得出小流量点和大流量轴承寿命计算报告；计算结果显示，小流量点（60%额定流量）的轴承寿命只有23000h，比额定流量点值低。反推小流量点的受力载荷大于额定流量值，后期泵类载荷计算和轴承寿命核算应考虑小流量点。