大型泵组电动机推力轴承技术研究

大型泵组电动机推力轴承技术研究

除了大倾角叶片的发动机轴承外，大倾角叶片的轴承还必须承受对电机旋转部分的负荷和径向负荷，以及对整个叶片的最重要支撑部分。推力轴承承受的泵组转动部分重量及轴向水推力较大,推力轴承同时还要求保证无需顶转子的情况下直接启动电机运转,又要保证泵组不设刹车装置在停机过程的低速安全运行;导轴承承受机组转动部分的径向机械不平衡力和电磁不平衡力;推力及导轴承要求安装及检修更换方便,使用寿命长,结构上还要满足可抽芯式水泵的整体要求,满足泵组每天冷、热启动次数的要求。因此,推力及导轴承结构形式是否合理,各种润滑参数是否恰当,对机组能否长期安全稳定运行起着至关重要的作用。大型泵组电动机轴承应用技术是一项值得研究的关键课题。1电机推力轴承形式的确定泵组推力轴承的设置有多种形式,水泵顶部设推力轴承的方式将造成电动机安装高程提高,对水泵电动机整机的振动会带来不利的影响,给水泵拆装带来不便,水泵设推力轴承后,电动机还需设推力轴承,所以,水泵顶部设推力轴承的方式不合适。泵组只设一部推力轴承,水泵转子重量及水推力都由电机轴承承担,有利于防振,方便运行维护和检修,所以对于大型泵组,只设电动机推力轴承的形式是合适的。电动机推力轴承布置有悬挂式和伞式两种方式,悬挂式立式电动机的推力轴承位于电机的定子、转子上部,同时在电机上、下部各配置有上、下导轴承;而伞式电机轴承则位于定子、转子下部,只在电机下部设导轴承则为全伞式,在电机上、下部分设上、下导轴承则为半伞式。伞式电机轴承虽然对减少水泵悬挂的长度有利,但在总体布置上会使电动机安装高程提高。因此悬挂式电机轴承的布置与伞式电机轴承布置相比,电动机的运行径向机械稳定性更好,轴承损耗小,安装、运行、维护及检修较方便,大型泵组电动机轴承形式宜选为悬挂式。1.1弹性盘和弹性油箱应力应变分析推力轴承形式按支承方式可分为刚性支承和弹性支承两大类。弹性支承有平衡块支承式、弹性盘支承式、弹性油箱支承式等几种支承方式。按轴瓦的材质可分为合金瓦和塑料瓦,考虑到水泵机组负荷不大,且使用合金瓦很成熟,本文对塑料瓦不作深入分析。根据泵组电机运行维护要求及推力轴承负荷特点,将推力轴承形式进行技术分析,结果汇总如表1。1.2导轴瓦间隙的调整泵组电机导轴承一般采用稀油润滑轴承,根据导轴瓦是否分块可将导轴承分为筒式瓦和分块瓦两种形式。筒式瓦可承受较大负载,但结构复杂,安装检修维护不便,不适用于泵组电动机。分块瓦导轴承又有油隙可调节和油隙不可调节两种形式,油隙可调节导轴承对轴承系部件的加工及装配精度要求相对较低,导轴瓦间隙在安装时可以调整,但每次装配都要经过盘车来调整轴瓦间隙,轴瓦间隙调整完成后还要锁住支持螺栓使之不能移位和松动,否则将影响电机的径向机械稳定性,因此调整轴瓦的工作量相对较大。瓦块支承不可调节的导轴承,要求与之配合的电机在总装后,轴伸转动摆度在规定的范围内,对轴承系部件的加工精度及装配精度要求高;无需调整轴瓦间隙,可使安装工期缩短。为了减少加工的复杂性以及增加上、下导轴承的互换性,使备品备件能通用,节省加工成本及备品备件的费用,上、下导轴承宜设计成一致的尺寸。2技术方案的研究2.1作用于机械体系的设计通过对轴承形式的技术分析,为研究最佳的工程技术解决方案创造了基础条件。东深供水改造工程泵组安全稳定运行可靠性要求高,还要求运行检修方便。为满足供水系统流量调节需要,要求轴承性能可保证泵组能快速启动;而电动机不设顶转子装置和刹车装置,这就要求推力轴承低速,重载润滑性能好,耐磨性能好;泵组结构形式为抽芯式,要求电机轴承装拆方便,易于调整,而不需整机盘车。综上所述,采用弹性盘和平衡块支承形式推力轴承是较好的方案。弹性盘支承的推力轴瓦,受力时通过弹性盘变形来自动调节每块瓦之间的受力负荷,结构简单,安装时无需调整,也不用刮瓦和盘车。该种弹性支承可以弥补轴承加工和组装中的高度差,并可弥补受力邻近瓦块面的平面高度差。但在传递不平衡负载时,不能完全地使各瓦块负荷均匀,瓦块间的载荷有差异。如图1弹性盘推力轴承“均化”负载的原理图。2.2受拉压弹性盘的稳定机构由图1可见最大瓦块受力和最小瓦块受力为:Fmax=F+KΔY(1)Fmin=F-KΔY(2)式中:F为轴承负载,K为弹性盘的弹率,ΔY为在轴偏斜角时使推力瓦块产生的垂直位移的值。该种轴承每种规格的轴承最大允许偏斜角都有限定,不能随意超大偏斜。其计算允许最大轴倾斜角度为:θ=2(FBmax−FB)CRDZdm(rad)(3)θ=2(FBmax-FB)CRDΖdm(rad)(3)式中:FBmax为轴承自身允许的最大负载,N;FB为轴承实际使用时的负载,N;CRD为单块轴承瓦的弹性盘的刚度值,N/mm;dm为瓦块支承中心节距值,mm;Z为瓦块数。由式(3)可知,这种轴承在使用上应使轴承负载在设计范围内,以保证弹性盘的良好性能。弹性盘轴承由于瓦块是圆形的,支点在瓦块中间位置,轴承对泵组的正向、反向转动具有良好的适应性,这点对采用虹吸断流方式泵组尤为适用,虹吸断流泵组在停机时由于虹吸腔水流作用,泵组反向转速可达到1.8~2.0倍额定转速。弹性盘圆形瓦块在设计时,可以通过瓦块数的改变来调节轴承负载量的大小,因此瓦块通用性好,其工厂标准化程度相对较高,通过瓦块数及瓦块分布圆直径的调节,可方便泵组结构的整体布置。平衡块支承的推力轴承,推力瓦由相互搭接的铰支梁支撑,利用杠杆原理传递不均衡力,该平衡系统具有较好的均衡瓦块负载的能力。在不平衡负载存在时平衡结构能最大限度地减小推力瓦块上的负载差异,使之均衡。该系统允许轴线最大偏斜角度为0.001rad。2.3圆形瓦油膜的轴向运动平衡块支承的推力轴承采用扇形瓦块,瓦块的支撑一般采用偏支点(线)方式,即支撑线位于瓦块几何中心偏向出油边10%,偏支点方式和对称支点方式相比,正常运行时瓦温低20℃左右,但其反向运行时瓦温比其正向运行的瓦温约高35℃,所以,这种支承形式的轴承应避免反向运行。从技术上而言,扇形瓦块其钨金支承区可达80%~85%;而相同轴承直径的弹性盘圆形瓦块,其轴承直径范围内钨金支承区减小为55%~60%;扇形瓦块比圆形瓦承载油压场更大,一般情况在同一负载大小、同种润滑油润滑时,扇形瓦的油膜厚度要比圆形瓦的油膜厚40%。因此扇形瓦油膜刚度大,承载能力强,安全性高。一般不需更换大粘度的润滑油,通过因粘度的润滑油来增大润滑油膜的厚度,这样可使轴承损耗降低。3推力轴瓦维护检查东深供水改造工程选用两种泵型,经过对轴承结构的形式分析和技术方案对比,分别采用了平衡块式和弹性盘式轴承,其中旗岭泵组因为轴承荷载相对较大,水泵叶轮直径较小,要求整机结构紧凑,液控蝶阀对轴承反向运行工况的要求不高,故采用平衡块支承方案。莲湖泵组因为轴承荷载相对较小,虹吸断流对轴承有反向运行工况的要求,水泵叶轮直径较大,轴承分布较大。故采用弹性盘支承方案。轴承结构示意图分别见图2,3,4。平衡块轴承推力头的绝缘是组合于推力头中,成为不可拆的内部绝缘,因此电机轴摆度的保证要靠轴本身的成品质量,装配后轴要垂直不弯方能使轴摆度达到要求,在轴承结构上已无设施供处理摆度偏差。推力轴瓦维护检查的方式与传统的上轴承不同,它可在轴承润滑油排放掉以后,仅需提升轴承外壳、将转子抬高即可取出瓦块进行维护。不用拆除推力头,也不需盘车调整瓦受力。推力瓦及上导瓦的支承均为不用手工调节的结构,因此油隙油膜厚度也不需调节,维护轴瓦更为方便。下导轴承轴瓦维护检查也很方便,在放掉润滑油后,下落轴承油室底盘,随着托盘下落、下导轴瓦也顺之下落可供取出维护检查。下导轴瓦装入也很方便,仅需提升托盘使瓦复位。由于下轴承损耗小,采用外壳筋自然冷却,使轴承油室尺寸小,又使冷却器省掉,轴承维护工作简单方便。推力轴承允许电动机直接启动和停机。不使用高压油抬升转子建立油膜,也不需设置静止起顶转子的油压千斤顶和停机刹车装置。电机和水泵组合装配时整台电机可直接和水泵联接,电机不需解体安装。弹性盘推力轴承主要有推力头、推力瓦、上导轴承座、上导瓦、绝缘浮动密封、测温铂热电阻、蝶形弹簧等。推力瓦为9块圆形钨金瓦,每块推力瓦下套装1件蝶形弹簧,蝶形弹簧放置在推力轴承座上,推力轴承座下垫槽形绝缘后由上机架9根放射筋支撑。导轴承座下部内圆和推力轴承座外圆配合使推力轴承座周向定位,导轴承瓦为分块钨金瓦,导轴承座上加工有槽定位导轴承瓦,导轴承瓦用支柱螺栓调整和上导滑转子之间的间隙。采用了绝缘的浮动密封进行油室内油的防渗,浮动密封由绝缘板加工而成的分瓣件,具有使用方便,不易磨损,使用寿命长,重量轻等优点,是目前较先进的油室密封方式。上机架挡油筒下还设置了