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摘要：
太浦河泵站的水导轴承具有转速低、承载力大的特点，同时轴承又采用与水平面呈斜150布置的方式，受力复杂。经计算机仿真模拟水泵装置内部流态后，提出承载力要求，比较选用稀油润滑的导轴承，本文对塞德瓦公司的轴承结构和受力要求进行了分析研究。
关键词：
水导轴承 油膜 承载力 1 水泵特点 太浦河泵站总流量300m3/s，装6台斜150轴伸泵，泵站设计净扬程1.39m，是国内最大的特低扬程大流量泵站。该水泵叶轮直径4.1m，转速73r/min；水泵与电机采用齿轮减速箱的传动方式，异步电机功率1600kW，转速1000r/min；在齿轮减速箱的两端均有齿式联轴器，各设备的轴向力和径向力分别由本身的轴承承受，除扭矩外各力不相互传递。 2 水泵轴系受力分析计算 2.1 水泵轴系受力 斜150轴伸泵有两个轴承，近叶轮端的为水导轴承，出水端的为推力径向组合轴承。轴承受力考虑下面几种工况，轴系受力详见图2-1。 （1） 静水工况：流道内充满了水，但水泵未启动，此时轴承承受水泵转动部分重量（G）、水的浮力（f1）。 （2） 正常运行工况：水泵运转后，除上述力之外，轴承还要承受水泵装置非稳定流的水动态力(f2)、轴向水推力(fZ)、叶轮静不平衡力(f3)、泵轴挠度引起的离心力(f4)。 （3）飞逸工况：水泵断电而且快速闸门、多叶拍门失效，水泵进入水轮机工况，并发生飞逸，此时须考虑导致各部件离心力的增加，出现泵轴的扭振现象，对轴承产生冲击力。其原因是水泵进入水轮机工况，叶轮的叶栅绕流会发生旋转脱流，产生叶轮上较大的水压脉动，致使叶轮压力侧轴对称速度场的破坏而导致很大的径向力，从而轴承也承受较大的脉动力矩。
2.2 正常工况受力计算 由于斜轴伸泵呈斜式布置，受力状态较卧式和立式水泵要复杂，水泵轴承同时受水平分力和垂直分力。水泵转动部分的重量和浮力、泵叶轮的静不平衡力和泵轴挠度引起的离心力由制造厂根据机械加工的技术要求提出，而因水流引起的不平衡力以及压力脉动则比较复杂，以往因缺乏有力的计算工具，通常按经验进行估算，误差不易分析，也难以分析不平衡力产生的原因。为此太浦河泵站工程建设指挥部、设计院、清华大学共同合作，进行计算机水泵装置整体三维粘性流动模拟分析计算，模拟叶轮转动时，水泵及进出水流道内部不同工况下的流动特性如压力、速度分布规律及泵特性曲线，以及流道内部的旋涡分布和水力损失情况。同时进行了导叶和叶轮水流相互干涉引起的三维不稳定流动分析，得到了叶轮在不同工况下受到的轴向水推力及径向水推力在旋转过程中的变化规律。 正常工况运行时，叶轮受到纵向和横向不稳定径向力，约3.253吨, 径向力变幅约1.312吨。水压力脉动的频域能量主要集中在转频、3倍转频（叶片数的影响）、5倍转频（导叶数的影响）上，高频的能量相对较小。 叶轮端的水导轴承主要承受轴系的径向力，出水端的推力组合径向轴承主要承受轴向水推力和部分径向力。叶轮和泵轴重约17.5 t，综合计算和分析，水导轴承受力不小于26t。 由于国内多个泵站的斜轴伸泵出现过水导轴承损坏情况，所以对水导轴承的选择做更为仔细的分析研究。 3 水泵导轴承型式选择 水泵导轴承有水润滑、油脂润滑、稀油润滑三种。水润滑轴承通常采用工程塑料或橡胶，油脂润滑和稀油润滑采用巴氏合金比较多。由于水的粘滞系数较低，对低速、重载轴承不容易形成油膜，所以不予选用。太浦河水泵的导轴承承载力大，须选用滑动轴承。油脂和稀油两种润滑方式都可以用于滑动轴承。 典型的油脂润滑轴承结构见图3-1，该种型式的轴承在日本的荏原和日立公司生产的斜轴伸式水泵上使用比较多，国内的斜300轴伸泵上也使用，叶轮直径多数在2.0m左右。油脂润滑有许多优点但也有不足一面，概括如下： a. 粘附性好，能附着在摩擦表面，不易流失或飞溅。 b. 特别适合滚动轴承，注油方便，可以长时间运行而不需注油，维护工作量小。 c. 密封性好，可以防止外界尘土侵入轴承。 d. 散热性差，不能像稀油那样对摩擦副进行循环冷却，故不适宜高速转动的轴承。 e. 其流动性差，内摩擦阻力大无法形成动压油膜，对大部分滑动轴承不适用。 斜轴伸泵一般使用极压锂基润滑脂，这是以十二羟基硬脂酸高粘度精制矿物油，并加多种添加剂。它具有良好的泵送性，较好的耐极压性，抗水性亦比较好，其它各方面的综合性能都比压延机润滑脂优越。 稀油润滑的特点是流动性好，易形成动压油膜；散热性好，可以在高速、重载的轴承中使用。在立式水泵、贯流式水轮机、电动机、发电机的滑动轴承等方面广泛使用。经过比选，业主单位、设计院、无锡水泵厂选择了西班牙塞德瓦公司的船用滑动轴承。 4 稀油润滑轴承结构和油品 滑动轴承对润滑油的要求有以下几点： a. 适当的粘度。承载力大、速度低，选用粘度高的润滑油。对于动压润滑轴承，油的粘度要求较严格，因为粘度变化会影响油膜厚度。 b. 具有较高的散热性，传导轴承因摩擦产生的热量，使轴承保持较低温度和热平衡。 c. 较好的抗氧化安定性，以免润滑油因高温氧化而结焦，以免破坏油膜造成故障。 d. 较好的油性，以保证在启动时或改变荷载的情况下，避免油膜破裂而干摩擦。 通常稀油润滑选用透平油比较多，考虑泵站润滑油品使用的统一性，更考虑到极压齿轮油的运动粘度远高于透平油，在水泵转动时易形成油膜，经与制造厂商量，最终选用极压齿轮油。该油的主要技术性能指标见表4-1。
塞德瓦公司的滑动轴承两端是P型橡胶密封结构，每道密封有两个橡胶圈，中间充有压力油，油压大于水压将P型橡胶密封顶起，使水不进入油中。制造厂要求油压大于水压1.35倍，为此在泵站的一定高度设置一个高位油箱，该油箱通过管路与轴承的进油口相连，保证油箱的油压与水压有个恒定差值。因为泵站水位是变化的，如油位也随着调整，恒定差值很难控制，与制造厂商量后，将油箱安装在泵站7.5m高程的位置，高于最高水位5.5m，确保水不进入油内。 整个轴瓦的长度是0.36m，轴径0.41m，宽径比为0.878，允许承载力443kN。轴瓦选用巴氏合金材料。虽然轴承的宽径比较小，但整根泵轴很长，叶轮以悬臂形式固定在轴上，易产生弯曲，所以采用球型轴瓦底座，可以自动调整偏心，结构详见图4-1。
图4-1 轴承结构详图
由于水泵轴承置于流道内，外壳四周均为水流，具有良好的冷却效果，所以不采用油外循环方式。 5 稀油润滑轴承的动压油膜和荷载 太浦河水泵的特点是低速重载，轴承承载能力和油膜形成是两个很重要的条件。由于水导轴承预留位置比较宽敞，考虑国内其它泵站的水导轴承出现过事故，斜式布置的轴承受力的特点又未全部了解，所以在轴承的承载能力上尽可能多留有余量。现选用的轴承最大允许荷载为443kN，远大于设计要求值，保证轴承运行的安全。塞德瓦公司提供了转速与最大允许荷载的关系曲线，详见图5-1。
图5-1 转速与最大允许荷载的关系曲线
滑动轴承动压油膜的形成与轴承几何形式、转速、轴的粗糙度等有关。塞德瓦是专门制造大型船用轴承的公司，在结构设计上有经验，考虑了形成油膜的结构要求，泵轴表面粗糙度为0.8μm。塞德瓦公司提供了转速与油膜的关系曲线，从图5-2中可见在额定转速时，可以形成动压油膜，最小油膜厚度为0.057mm。
图5-2 最小油膜厚度与转速的关系曲线
塞德瓦公司还提供了轴瓦承受的压力曲线图（图5-3），在图中可见轴瓦承受压力与转速有关，随着转速上升，轴瓦承受压力显者下降，并且趋向于平缓。在水泵启动过程中，轴瓦承受最大压力， 10r/min转速时，压力为8.8Mpa，为启动过程中瞬时受力，塞德瓦公司表示是允许的。
图5-3 轴瓦承受的压力曲线图
7 结束语
太浦河水泵的叶轮直径大，转速低，水导轴承为低速重载，是国内已运行的泵站中转速最低，承受的径向力最大的导轴承。经比选采用稀油润滑方式，液体摩擦轴承。塞德瓦公司认为水泵运转时，可以形成动压油膜，轴承承载能力大于设计要求，可以满足运行要求。太浦河水泵的稀油润滑轴承的选用，为今后国内大型水泵轴承的选型提供了经验。 现泵站尚未运行，缺乏必要的运行数据和实际情况分析。在试运行结束后，将根据实际情况进行补充和论证。
太浦河泵站的水导轴承具有转速低、承载力大的特点，同时轴承又采用与水平面呈斜150布置的方式，受力复杂。经计算机仿真模拟水泵装置内部流态后，提出承载力要求，比较选用稀油润滑的导轴承，本文对塞德瓦公司的轴承结构和受力要求进行了分析研究。
关键词：
水导轴承 油膜 承载力 1 水泵特点 太浦河泵站总流量300m3/s，装6台斜150轴伸泵，泵站设计净扬程1.39m，是国内最大的特低扬程大流量泵站。该水泵叶轮直径4.1m，转速73r/min；水泵与电机采用齿轮减速箱的传动方式，异步电机功率1600kW，转速1000r/min；在齿轮减速箱的两端均有齿式联轴器，各设备的轴向力和径向力分别由本身的轴承承受，除扭矩外各力不相互传递。 2 水泵轴系受力分析计算 2.1 水泵轴系受力 斜150轴伸泵有两个轴承，近叶轮端的为水导轴承，出水端的为推力径向组合轴承。轴承受力考虑下面几种工况，轴系受力详见图2-1。 （1） 静水工况：流道内充满了水，但水泵未启动，此时轴承承受水泵转动部分重量（G）、水的浮力（f1）。 （2） 正常运行工况：水泵运转后，除上述力之外，轴承还要承受水泵装置非稳定流的水动态力(f2)、轴向水推力(fZ)、叶轮静不平衡力(f3)、泵轴挠度引起的离心力(f4)。 （3）飞逸工况：水泵断电而且快速闸门、多叶拍门失效，水泵进入水轮机工况，并发生飞逸，此时须考虑导致各部件离心力的增加，出现泵轴的扭振现象，对轴承产生冲击力。其原因是水泵进入水轮机工况，叶轮的叶栅绕流会发生旋转脱流，产生叶轮上较大的水压脉动，致使叶轮压力侧轴对称速度场的破坏而导致很大的径向力，从而轴承也承受较大的脉动力矩。
2.2 正常工况受力计算 由于斜轴伸泵呈斜式布置，受力状态较卧式和立式水泵要复杂，水泵轴承同时受水平分力和垂直分力。水泵转动部分的重量和浮力、泵叶轮的静不平衡力和泵轴挠度引起的离心力由制造厂根据机械加工的技术要求提出，而因水流引起的不平衡力以及压力脉动则比较复杂，以往因缺乏有力的计算工具，通常按经验进行估算，误差不易分析，也难以分析不平衡力产生的原因。为此太浦河泵站工程建设指挥部、设计院、清华大学共同合作，进行计算机水泵装置整体三维粘性流动模拟分析计算，模拟叶轮转动时，水泵及进出水流道内部不同工况下的流动特性如压力、速度分布规律及泵特性曲线，以及流道内部的旋涡分布和水力损失情况。同时进行了导叶和叶轮水流相互干涉引起的三维不稳定流动分析，得到了叶轮在不同工况下受到的轴向水推力及径向水推力在旋转过程中的变化规律。 正常工况运行时，叶轮受到纵向和横向不稳定径向力，约3.253吨, 径向力变幅约1.312吨。水压力脉动的频域能量主要集中在转频、3倍转频（叶片数的影响）、5倍转频（导叶数的影响）上，高频的能量相对较小。 叶轮端的水导轴承主要承受轴系的径向力，出水端的推力组合径向轴承主要承受轴向水推力和部分径向力。叶轮和泵轴重约17.5 t，综合计算和分析，水导轴承受力不小于26t。 由于国内多个泵站的斜轴伸泵出现过水导轴承损坏情况，所以对水导轴承的选择做更为仔细的分析研究。 3 水泵导轴承型式选择 水泵导轴承有水润滑、油脂润滑、稀油润滑三种。水润滑轴承通常采用工程塑料或橡胶，油脂润滑和稀油润滑采用巴氏合金比较多。由于水的粘滞系数较低，对低速、重载轴承不容易形成油膜，所以不予选用。太浦河水泵的导轴承承载力大，须选用滑动轴承。油脂和稀油两种润滑方式都可以用于滑动轴承。 典型的油脂润滑轴承结构见图3-1，该种型式的轴承在日本的荏原和日立公司生产的斜轴伸式水泵上使用比较多，国内的斜300轴伸泵上也使用，叶轮直径多数在2.0m左右。油脂润滑有许多优点但也有不足一面，概括如下： a. 粘附性好，能附着在摩擦表面，不易流失或飞溅。 b. 特别适合滚动轴承，注油方便，可以长时间运行而不需注油，维护工作量小。 c. 密封性好，可以防止外界尘土侵入轴承。 d. 散热性差，不能像稀油那样对摩擦副进行循环冷却，故不适宜高速转动的轴承。 e. 其流动性差，内摩擦阻力大无法形成动压油膜，对大部分滑动轴承不适用。 斜轴伸泵一般使用极压锂基润滑脂，这是以十二羟基硬脂酸高粘度精制矿物油，并加多种添加剂。它具有良好的泵送性，较好的耐极压性，抗水性亦比较好，其它各方面的综合性能都比压延机润滑脂优越。 稀油润滑的特点是流动性好，易形成动压油膜；散热性好，可以在高速、重载的轴承中使用。在立式水泵、贯流式水轮机、电动机、发电机的滑动轴承等方面广泛使用。经过比选，业主单位、设计院、无锡水泵厂选择了西班牙塞德瓦公司的船用滑动轴承。 4 稀油润滑轴承结构和油品 滑动轴承对润滑油的要求有以下几点： a. 适当的粘度。承载力大、速度低，选用粘度高的润滑油。对于动压润滑轴承，油的粘度要求较严格，因为粘度变化会影响油膜厚度。 b. 具有较高的散热性，传导轴承因摩擦产生的热量，使轴承保持较低温度和热平衡。 c. 较好的抗氧化安定性，以免润滑油因高温氧化而结焦，以免破坏油膜造成故障。 d. 较好的油性，以保证在启动时或改变荷载的情况下，避免油膜破裂而干摩擦。 通常稀油润滑选用透平油比较多，考虑泵站润滑油品使用的统一性，更考虑到极压齿轮油的运动粘度远高于透平油，在水泵转动时易形成油膜，经与制造厂商量，最终选用极压齿轮油。该油的主要技术性能指标见表4-1。
塞德瓦公司的滑动轴承两端是P型橡胶密封结构，每道密封有两个橡胶圈，中间充有压力油，油压大于水压将P型橡胶密封顶起，使水不进入油中。制造厂要求油压大于水压1.35倍，为此在泵站的一定高度设置一个高位油箱，该油箱通过管路与轴承的进油口相连，保证油箱的油压与水压有个恒定差值。因为泵站水位是变化的，如油位也随着调整，恒定差值很难控制，与制造厂商量后，将油箱安装在泵站7.5m高程的位置，高于最高水位5.5m，确保水不进入油内。 整个轴瓦的长度是0.36m，轴径0.41m，宽径比为0.878，允许承载力443kN。轴瓦选用巴氏合金材料。虽然轴承的宽径比较小，但整根泵轴很长，叶轮以悬臂形式固定在轴上，易产生弯曲，所以采用球型轴瓦底座，可以自动调整偏心，结构详见图4-1。
图4-1 轴承结构详图由于水泵轴承置于流道内，外壳四周均为水流，具有良好的冷却效果，所以不采用油外循环方式。 5 稀油润滑轴承的动压油膜和荷载 太浦河水泵的特点是低速重载，轴承承载能力和油膜形成是两个很重要的条件。由于水导轴承预留位置比较宽敞，考虑国内其它泵站的水导轴承出现过事故，斜式布置的轴承受力的特点又未全部了解，所以在轴承的承载能力上尽可能多留有余量。现选用的轴承最大允许荷载为443kN，远大于设计要求值，保证轴承运行的安全。塞德瓦公司提供了转速与最大允许荷载的关系曲线，详见图5-1。
图5-1 转速与最大允许荷载的关系曲线滑动轴承动压油膜的形成与轴承几何形式、转速、轴的粗糙度等有关。塞德瓦是专门制造大型船用轴承的公司，在结构设计上有经验，考虑了形成油膜的结构要求，泵轴表面粗糙度为0.8μm。塞德瓦公司提供了转速与油膜的关系曲线，从图5-2中可见在额定转速时，可以形成动压油膜，最小油膜厚度为0.057mm。
图5-2 最小油膜厚度与转速的关系曲线塞德瓦公司还提供了轴瓦承受的压力曲线图（图5-3），在图中可见轴瓦承受压力与转速有关，随着转速上升，轴瓦承受压力显者下降，并且趋向于平缓。在水泵启动过程中，轴瓦承受最大压力， 10r/min转速时，压力为8.8Mpa，为启动过程中瞬时受力，塞德瓦公司表示是允许的。
图5-3 轴瓦承受的压力曲线图7 结束语
太浦河水泵的叶轮直径大，转速低，水导轴承为低速重载，是国内已运行的泵站中转速最低，承受的径向力最大的导轴承。经比选采用稀油润滑方式，液体摩擦轴承。塞德瓦公司认为水泵运转时，可以形成动压油膜，轴承承载能力大于设计要求，可以满足运行要求。太浦河水泵的稀油润滑轴承的选用，为今后国内大型水泵轴承的选型提供了经验。 现泵站尚未运行，缺乏必要的运行数据和实际情况分析。在试运行结束后，将根据实际情况进行补充和论证。
