無軸電泵推力軸承設計

李星

無軸電泵的葉片安裝于轉子內腔，中心無軸，定子采用耐水線繞組，與普通潛水泵相比，具有通過性好的獨特優勢，特別適用于含有大顆粒雜質的流體環境，機組結構簡單，極大降低了泵系統的故障率，轉子內筒可附加剪切刀片，能夠應用于包含更大顆粒雜質的流體環境，因其特殊結構，對推力軸承性能要求很高。第一，無軸電泵的推力軸承布置在葉片的外緣，其摩擦線速度大于葉片外緣的線速度，為了保證水泵正常運行和足夠的氣蝕余量，泵的nD值一般在300-500，也就限制了水泵葉輪最外緣的線速度，通過計算得到其葉片外緣的線速度在20m/s以上，其推力軸承副的線速度更大。第二，推力軸承承擔葉片上所有的推力，一臺50kW無軸電泵的承載推力大約為10kN?；跓o軸電泵的推力軸承工況特點，因此推力軸承材料選擇和結構設計非常關鍵。

近年來非金屬復合材料軸承已經逐步取代一部分金屬材料軸承，具有成本低，摩擦系數低等優勢。非金屬復合材料軸承可不需油潤滑，水可充當冷卻劑和潤滑劑，對環境無污染，因此在泵上的運用越來越廣泛。在水潤滑條件下，非金屬復合材料軸承需滿足啟?；虻退贂r具有摩擦系數小、高耐磨特性，比傳統材料更容易形成水潤滑膜?？紤]到軸和推力軸承是一對滑動摩擦副，其摩擦力和線速度越大，摩擦產生的熱越多，若超過允許的熱量，會導致軸承燒毀，推力軸承需要首先計算工作壓力和發熱量，來指導選擇軸承材料和結構設計，表達式為：

以300mm口徑的無軸電泵為例，根據轉速及軸承載荷，確定其軸承尺寸參數和工況如表1：

通過計算后，擬采用一種鋼背聚四氟乙烯復合材料作為其軸承，聚四氟乙烯復合材料通過釬焊工藝附著在鋼背上，結合強度大于20MPa，摩擦系數小，比傳統材料使用壽命更長，材料的性能參數如表2：

為了利于形成水潤滑，結構上將環形的推力軸承分為8個部分，有助于流體水進入摩擦副表面，對摩擦副表面進行冷卻和形成水潤滑膜。通過仿真驗證推力軸承是否具備形成水潤滑條件，選定軸承的其他參數如下：

（1）潤滑方式：水潤滑;

（2）工作溫度：20℃;

（3）20℃下水的動力粘度為0.001Pa.s，密度為1000kg/m3。

推力軸承潤滑計算結果如表3 和圖1所示。

在給定潤滑介質為水的情況下，由仿真計算結果可知，在給定的軸向承載力為9.2kN的條件下，形成的最小水膜厚度分別為6μm，且形成的最大承載壓強為1.26MPa，約是平均比壓的3倍，能夠形成良好的動壓潤滑。

最后，在水潤滑推力軸承試驗臺和實泵上安裝測試了此軸承，其摩擦阻力相對于舊軸承降低了30%，平衡態溫升下降了3°C。