离心泵轴承系统设计分析

吕会敏

(山东华宇工学院，山东 德州 253034)

0 引言

离心泵是一种利用叶轮旋转使流体产生离心运动、将电能转变为机械能、机械能再转变为流体动能的机器，它的工作原理是电机带动泵轴旋转，泵轴与叶片相连，叶片对流体做功。流体受到离心作用后由叶片中心甩向叶片外围，在此过程中流体速度增加，获得动能。流体进入泵壳后，顺着蜗壳状通道向逐渐扩大的方向流动，动能又逐渐转变为流体的静压能，能量损失极小。泵壳也可以看作是一个流体管路。如此循环往复，低位的流体被打入高位。在离心泵的使用过程中，泵轴和壳的间隙需要采取严密的轴封，以保证不会产生气缚现象。泵轴就是依靠联轴器和电机相连，可以将电机转矩传递给叶片[1]。离心泵结构如图1所示。

图1 离心泵结构示意图Fig.1 Structure of centrifugal pump

1 轴承系统结构

轴承系统是泵轴的支撑构件，主要分为轴承和轴承外部构件。轴承主要分为滚动轴承和滑动轴承，轴承外部构件又有密封环、甩油环、轴承内套、轴承外套、迷宫式油封。轴承系统结构如图2所示。

1.甩油环A 2.滚动轴承 3.轴承内套 4.轴承外套 5.滑动轴承 6.轴承体 7.迷宫式油封 8.轴 9.甩油环B 图2 轴承内部结构Fig.2 Bearing internal structure

所有施加在轴上的载荷最终会传递至前端轴承和后端轴承上。前端轴承即泵侧轴承，承受径向载荷。后端轴承即马达侧轴承，既承受径向载荷又承受轴向载荷。载荷有两种基本形式，一种是流体静压力，是在离开排出口前产生的，同时也是泵的扬程；另一种是叶轮和泵轴，同心程度较差，导致运行过程中出现剧烈震动。叶轮和涡轮结构设计、叶轮前后端静压力差都是造成轴向载荷的主要原因。所以，轴承系统的运转情况会受到叶轮设计的影响[2]。

滚动轴承使用牛油作为润滑剂，一般在油位的2/3左右，放过多容易发热，太少声音较大。滑动轴承润滑剂一般使用透明油，加至油位线即可，放置过多也容易从轴线流失，太少轴承容易烧坏。轴承温度在使用过程中控制在85℃以下，太高有可能是润滑油缺少，需要及时补油[3]。

轴承压盖内有两道密封槽，能够形成一种迷宫密封作用，靠近轴承的槽边有回油孔。泵在快速转动时，润滑油会飞溅入槽内，此时润滑油便通过回油孔流入轴承内部，循环使用，轴承压盖和回油孔阻止了润滑油的渗漏。轴承压盖和轴的间隙控制在0.25 mm以内最佳，过大则容易导致润滑油飞溅出去。维修轴承时，要将轴承和压盖间隙进行仔细检查和清理，包括回油孔的清理，避免油泥堵塞，润滑油不能起到润滑作用。

2 轴承系统的问题与原因

2.1 轴承系统失效形式

轴承通常有如下失效形式：保持架的严重磨损；滚动体和内外圈都出现明显的剥离现象；滚珠和滚道面出现卡伤现象；出现明显裂纹；滚道面出现压伤；滚道面出现过热或严重变色；腐蚀和生锈。

2.2 轴承系统失效分析

轴承失效通常由四个因素造成，分别是生产安装因素、润滑因素、使用环境因素以及运行因素[4]。生产安装因素。生产安装过程中，有时操作不规范，如用锤子直接敲击滚动轴承，力直接作用在滚动轴承内侧面上，内侧面出现剥落和凹陷。有时采用热套法安装，由于温度没有控制好，泵轴和轴承间间隙会过紧。轴承质量不合格以及运转时轴承温度上升，也会导致金属疲劳程度上升。润滑因素。滚动轴承压强往往大于20 MPa，如果不加润滑油或润滑油缺少，表面接触阻力极大，摩擦力做功将会造成发热剧烈，表面损伤。润滑油能够在滚珠表面形成一层油膜，将两表面隔开，减少摩擦阻力。但是，如果不能选择合适的润滑油，或者使用了劣质润滑油，将会导致两表面油膜无法形成，甚至长时间运行下产生碳化杂质或黏合，反而增加摩擦阻力，散热效果变差。环境因素。离心泵的轴封通常采用填料函密封或机械密封，但是密封不严时，流体会溅入轴承内，导致轴承腐蚀和生锈，尤其是含氯的酸性物料对轴承腐蚀最为严重。位于轴承箱顶部的透气帽被油泥或污泥堵塞，轴承长期运转后，有一部分润滑油被汽化，造成油气无法排出，内部压力远远高于外部气压，将油气或润滑油从内部压出，主要是从压盖和轴承的密封处压出，导致了轴承内润滑油缺少，损坏轴承。工作环境不干净、油气和污泥混合等都容易堵塞透气帽，所以需要经常清理透气帽内固体。运行因素。如果泵轴和电机轴同心程度变差，将会导致轴承受到附加的过载冲击，轴承内部应力急剧增大，严重时甚至能导致轴承断裂崩坏。如果运行过程没有考虑工况变化，例如离心泵的扬程等，甚至会发生气蚀，离心泵剧烈抖动下轴承严重受损。

3 离心泵轴承的设计改造

3.1 轴承箱的设计优化

在轴承箱润滑油的外部稀油站沿两条管路流入轴承箱，一条流经内外隔套，另一条流经上轴瓦，再到下轴瓦，然后从油槽口的油路流出。如果发生故障，甩油环就可以提供润滑油给轴承，这样能够避免因外部故障而导致轴承无法运行。

3.2 用挡油盘改进轴承箱的密封结构

密封环和密封端盖之间会形成迷宫槽，然后采用挡油盘将密封槽封住。这样做的好处是甩油环带出的润滑油可以在挡油盘处降压，并且截留一部分，然后再沿着挡油盘重新回流到油池。而剩余少部分润滑油，则可经过迷宫密封再次进行二次密封。

3.3 自制油位计

采用有机玻璃管进行加工。将玻璃管下部通过连接件与轴承箱底部连结，玻璃管上部开排气孔与大气相连，这样油箱内油位可以通过油位计清楚地看到，不至于加多或加少。

4 结语

导致离心泵轴承失效的问题很多，只要妥善安装，使用和维护，注意使用的工况要求，就能够极大地提高轴承的使用寿命。轴承箱密封后加装了挡油盘，使润滑油的回流效果变好，大大节省了润滑油的使用量。自制油位计，生产过程中可以明确知道油箱内的实际油位，不至于使轴承缺油或多油。