摘要：太浦河泵站的水導軸承具有轉速低、承載力大的特點，同時軸承又采用與水平面呈斜150布置的方式，受力復雜。經計算機仿真模擬水泵裝置內部流態后，提出承載力要求，比較選用稀油潤滑的導軸承，本文對塞德瓦公司的軸承結構和受力要求進行了分析研究。 關鍵詞：水導軸承 油膜 承載力 1 水泵特點 太浦河泵站總流量300m3/s，裝6臺斜150軸伸泵，泵站設計凈揚程1.39m，是國內Z大的特低揚程大流量泵站。該水泵葉輪直徑4.1m，轉速73r/min；水泵與電機采用齒輪減速箱的傳動方式，異步電機功率1600kW，轉速1000r/min；在齒輪減速箱的兩端均有齒式聯軸器，各設備的軸向力和徑向力分別由本身的軸承承受，除扭矩外各力不相互傳遞。 2 水泵軸系受力分析計算 2.1 水泵軸系受力 斜150軸伸泵有兩個軸承，近葉輪端的為水導軸承，出水端的為推力徑向組合軸承。軸承受力考慮下面幾種工況，軸系受力詳見圖2-1。 （1） 靜水工況：流道內充滿了水，但水泵未啟動，此時軸承承受水泵轉動部分重量（G）、水的浮力（f1）。 （2） 正常運行工況：水泵運轉后，除上述力之外，軸承還要承受水泵裝置非穩定流的水動態力(f2)、軸向水推力(fZ)、葉輪靜不平衡力(f3)、泵軸撓度引起的離心力(f4)。 （3）飛逸工況：水泵斷電而且快速閘門、多葉拍門失效，水泵進入水輪機工況，并發生飛逸，此時須考慮導致各部件離心力的增加，出現泵軸的扭振現象，對軸承產生沖擊力。其原因是水泵進入水輪機工況，葉輪的葉柵繞流會發生旋轉脫流，產生葉輪上較大的水壓脈動，致使葉輪壓力側軸對稱速度場的破壞而導致很大的徑向力，從而軸承也承受較大的脈動力矩。 2.2 正常工況受力計算 由于斜軸伸泵呈斜式布置，受力狀態較臥式和立式水泵要復雜，水泵軸承同時受水平分力和垂直分力。水泵轉動部分的重量和浮力、泵葉輪的靜不平衡力和泵軸撓度引起的離心力由制造廠根據機械加工的技術要求提出，而因水流引起的不平衡力以及壓力脈動則比較復雜，以往因缺乏有力的計算工具，通常按經驗進行估算，誤差不易分析，也難以分析不平衡力產生的原因。為此太浦河泵站工程建設指揮部、設計院、清華大學共同合作，進行計算機水泵裝置整體三維粘性流動模擬分析計算，模擬葉輪轉動時，水泵及進出水流道內部不同工況下的流動特性如壓力、速度分布規律及泵特性曲線，以及流道內部的旋渦分布和水力損失情況。同時進行了導葉和葉輪水流相互干涉引起的三維不穩定流動分析，得到了葉輪在不同工況下受到的軸向水推力及徑向水推力在旋轉過程中的變化規律。 正常工況運行時，葉輪受到縱向和橫向不穩定徑向力，約3.253噸, 徑向力變幅約1.312噸。水壓力脈動的頻域能量主要集中在轉頻、3倍轉頻（葉片數的影響）、5倍轉頻（導葉數的影響）上，高頻的能量相對較小。 葉輪端的水導軸承主要承受軸系的徑向力，出水端的推力組合徑向軸承主要承受軸向水推力和部分徑向力。葉輪和泵軸重約17.5 t，綜合計算和分析，水導軸承受力不小于26t。 由于國內多個泵站的斜軸伸泵出現過水導軸承損壞情況，所以對水導軸承的選擇做更為仔細的分析研究。 3 水泵導軸承型式選擇 水泵導軸承有水潤滑、油脂潤滑、稀油潤滑三種。水潤滑軸承通常采用工程塑料或橡膠，油脂潤滑和稀油潤滑采用巴氏合金比較多。由于水的粘滯系數較低，對低速、重載軸承不容易形成油膜，所以不予選用。太浦河水泵的導軸承承載力大，須選用滑動軸承。油脂和稀油兩種潤滑方式都可以用于滑動軸承。 典型的油脂潤滑軸承結構見圖3-1，該種型式的軸承在日本的荏原和日立公司生產的斜軸伸式水泵上使用比較多，國內的斜300軸伸泵上也使用，葉輪直徑多數在2.0m左右。油脂潤滑有許多優點但也有不足一面，概括如下： a. 粘附性好，能附著在摩擦表面，不易流失或飛濺。 b. 特別適合滾動軸承，注油方便，可以長時間運行而不需注油，維護工作量小。 c. 密封性好，可以防止外界塵土侵入軸承。 d. 散熱性差，不能像稀油那樣對摩擦副進行循環冷卻，故不適宜高速轉動的軸承。 e. 其流動性差，內摩擦阻力大無法形成動壓油膜，對大部分滑動軸承不適用。 斜軸伸泵一般使用極壓鋰基潤滑脂，這是以十二羥基硬脂酸高粘度精制礦物油，并加多種添加劑。它具有良好的泵送性，較好的耐極壓性，抗水性亦比較好，其它各方面的綜合性能都比壓延機潤滑脂優越。 稀油潤滑的特點是流動性好，易形成動壓油膜；散熱性好，可以在高速、重載的軸承中使用。在立式水泵、貫流式水輪機、電動機、發電機的滑動軸承等方面廣泛使用。經過比選，業主單位、設計院、無錫水泵廠選擇了西班牙塞德瓦公司的船用滑動軸承。 4 稀油潤滑軸承結構和油品 滑動軸承對潤滑油的要求有以下幾點： a. 適當的粘度。承載力大、速度低，選用粘度高的潤滑油。對于動壓潤滑軸承，油的粘度要求較嚴格，因為粘度變化會影響油膜厚度。 b. 具有較高的散熱性，傳導軸承因摩擦產生的熱量，使軸承保持較低溫度和熱平衡。 c. 較好的抗氧化安定性，以免潤滑油因高溫氧化而結焦，以免破壞油膜造成故障。 d. 較好的油性，以保證在啟動時或改變荷載的情況下，避免油膜破裂而干摩擦。 通常稀油潤滑選用透平油比較多，考慮泵站潤滑油品使用的統一性，更考慮到極壓齒輪油的運動粘度遠高于透平油，在水泵轉動時易形成油膜，經與制造廠商量，Z終選用極壓齒輪油。該油的主要技術性能指標見表4-1。 塞德瓦公司的滑動軸承兩端是P型橡膠密封結構，每道密封有兩個橡膠圈，中間充有壓力油，油壓大于水壓將P型橡膠密封頂起，使水不進入油中。制造廠要求油壓大于水壓1.35倍，為此在泵站的一定高度設置一個高位油箱，該油箱通過管路與軸承的進油口相連，保證油箱的油壓與水壓有個恒定差值。因為泵站水位是變化的，如油位也隨著調整，恒定差值很難控制，與制造廠商量后，將油箱安裝在泵站7.5m高程的位置，高于Z高水位5.5m，確保水不進入油內。 整個軸瓦的長度是0.36m，軸徑0.41m，寬徑比為0.878，允許承載力443kN。軸瓦選用巴氏合金材料。雖然軸承的寬徑比較小，但整根泵軸很長，葉輪以懸臂形式固定在軸上，易產生彎曲，所以采用球型軸瓦底座，可以自動調整偏心，結構詳見圖4-1。 由于水泵軸承置于流道內，外殼四周均為水流，具有良好的冷卻效果，所以不采用油外循環方式。 5 稀油潤滑軸承的動壓油膜和荷載 太浦河水泵的特點是低速重載，軸承承載能力和油膜形成是兩個很重要的條件。由于水導軸承預留位置比較寬敞，考慮國內其它泵站的水導軸承出現過事故，斜式布置的軸承受力的特點又未全部了解，所以在軸承的承載能力上盡可能多留有余量。現選用的軸承Z大允許荷載為443kN，遠大于設計要求值，保證軸承運行的安全。塞德瓦公司提供了轉速與Z大允許荷載的關系曲線，詳見圖5-1。 滑動軸承動壓油膜的形成與軸承幾何形式、轉速、軸的粗糙度等有關。塞德瓦是專門制造大型船用軸承的公司，在結構設計上有經驗，考慮了形成油膜的結構要求，泵軸表面粗糙度為0.8μm。塞德瓦公司提供了轉速與油膜的關系曲線，從圖5-2中可見在額定轉速時，可以形成動壓油膜，Z小油膜厚度為0.057mm。 塞德瓦公司還提供了軸瓦承受的壓力曲線圖（圖5-3），在圖中可見軸瓦承受壓力與轉速有關，隨著轉速上升，軸瓦承受壓力顯者下降，并且趨向于平緩。在水泵啟動過程中，軸瓦承受Z大壓力， 10r/min轉速時，壓力為8.8Mpa，為啟動過程中瞬時受力，塞德瓦公司表示是允許的。 7 結束語 太浦河水泵的葉輪直徑大，轉速低，水導軸承為低速重載，是國內已運行的泵站中轉速Z低，承受的徑向力Z大的導軸承。經比選采用稀油潤滑方式，液體摩擦軸承。塞德瓦公司認為水泵運轉時，可以形成動壓油膜，軸承承載能力大于設計要求，可以滿足運行要求。太浦河水泵的稀油潤滑軸承的選用，為今后國內大型水泵軸承的選型提供了經驗。 現泵站尚未運行，缺乏必要的運行數據和實際情況分析。在試運行結束后，將根據實際情況進行補充和論證。