卧式轴流泵轴线摆度调整研究及ProE三维仿真模拟

李辰霄,王志寰

(1.江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏 南京 210022；2.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017)

1 水泵轴线摆度及调整

1.1 水泵轴线摆度概念

水泵机组主要由固定部分和转动部分组成[1]。当电机和水泵本体在运转时，理想的状态是转动部分与固定部分重合在一条中心线上，但实际上，卧式泵轴在运行中由于重力和流态不稳造成的震动、轴与联轴器连接过程中的制造公差、安装后的累积误差、电机磁拉力不均匀等原因，常会使泵组转动部分的中心线不再围绕着固定部分中心线运转从而产生偏转[2]，这种转动偏差称为轴线的摆度。在实际运行过程中，一般要求水泵机组固定部分和转动部分在允许的设计偏差内运行。

1.2 水泵轴线调整原理

卧式水泵轴线调整原理及过程：首先，在上游侧和下游侧挂钢琴线以泵壳、密封部件两个固定点位置确定固定部分基准轴线，以此基准线调整上游侧推力轴承座、下游侧水导轴承套的位置，固定后即可安装水泵本体及泵轴等转动部分。然后，将联轴器与固定好的水泵轴连接，用盘车的方式测量调整联轴器的摆度[3]。最后，以联轴器为基准，调整齿轮箱、电机的同轴度，完成水泵机组轴线及摆度的调整工作。

2 水泵轴线摆度调整及三维仿真

由前述水泵轴线摆度调整原理可知，水泵轴线摆度调整过程包括水泵基准轴线调整、水泵轴联轴器摆度调整和齿轮箱、电机同轴度调整三个主要步骤，各步骤调整方法详细介绍如下[4]。

2.1 水泵基准轴线调整与模拟

2.1.1 水泵基准轴线调整方法

为使转动各部件的中心与固定部分中心重合先确定固定部分的两个基准部件，用求心器和内径千分尺测定两固定件的中心线，以此条中心线为基准轴线，调整转动部分的中心。基准轴线具体调整方法为：用耳机、干电池、电线与钢琴线串联成一个简单的电流通路，再利用内径千分尺，接通被测量的部件与钢琴线之间的回路，然后用调整好的轴线来调整水导轴承与推力轴承的同心度，以确定它们的位置[5-6]。水泵基准轴线调整示意图见图1，各测量指标计算见式(1)。

图1 水泵基准轴线调整示意

Ya=R1-R2;Xa=R3-R4

Yb=R5-R6;Xb=R7-R8

(1)

式中：Ya为上游侧部件南北向上(Y方向)的同心偏差值，mm；Xa为上游侧部件上下向上(X方向)的同心偏差值，mm；Yb为下游侧部件南北向上(Y方向)的同心偏差值，mm；Xb为下游侧部件上下向上(X方向)的同心偏差值，mm；Ri为各点至钢琴线的距离，i=1,2,……,8，mm。

水泵基准轴线偏差主要包括以下三种情况：当Xa=Xb=Ya=Yb=0时，为标准同心；当Xa=Xb≠0或Ya=Yb≠0时，为错位偏差；当Xa≠Xb或Ya≠Yb时，为倾斜偏差。当钢琴线与两固定件发生错位偏差或者倾斜偏差的时候，调整两端求心器的位置，直至调整至允许偏差以内。

在固定部分基准找好后，分两组同时对上游推力轴承座和下游水导轴承套四个方向相对钢琴线的距离进行测量。测量方法及计算方式与之前调整钢琴线相同，只有在调整部件时有些许不同。水导轴承套的上下调整通过在轴承套与叶轮室接触处垫铜皮或其他纸壳垫，推力轴承座的上下调整通过调节轴承座下方垫铁高度实现。两个部件南北方向的调节都是通过调整两侧架设的千斤顶完成。当水导轴承与推力轴承座的位置确定后就可以吊下水泵轴并安装固定。

2.1.2 水泵基准轴线调整模拟

如图2所示，利用内径千分尺，接通被测量部件与钢琴线间的回路。当内径千分尺的尖端与钢琴线接触时，回路接通，耳机通电发出声响，内径千分尺的读数即为部件圆周上该点与水平线的距离。沿圆周测量上、下游南北四个读数，可反映出该部件中心点对水平线的偏离情况。测量时，千分尺测杆的一端与部件测点紧靠，测头对准钢琴线作上下左右圆弧运动。当测点接近钢琴线时，应微调千分尺头，当耳机内发出声响时应立即停止调节。再将千分尺反向调节，缩短0.01～0.02 mm，这时耳机内无声，再使千分尺调至原来读数，同样又发出声响，选择此时读数。之后用调整好的轴线调整水导轴承与推力轴承的同心度，以确定它们的位置(图3)。

图2 轴线测量模拟三维仿真

图3 轴线测量调整三维仿真

2.2 水泵轴联轴器摆度调整及模拟

当水泵轴位置固定后，以水泵轴的固定位置来安装调整剩下的机组部件。机组的转动轴线应在理论中心旋转，但实际轴线会偏离理论中心旋转，产生一定的摆度。水泵轴联轴器摆度具体调整方法：首先，将水泵轴的轴颈处和联轴器的圆周进行8等分，然后在各测量部位装上一个百分表，调整读数为零，并使表的指针有正负旋转的余地。再利用人力盘车，让机组转动，并记录测点读数。全摆度e为同一测量部位上两相对点的数值差。净摆度j为同一方位上测点全摆度相对于水泵轴全摆度的差。利用百分表测量值，分别按照式(2)和式(3)计算得出全摆度e与净摆度j。

e=φ180°-φ0°

(2)

j=e水-e联

(3)

式中：e为某一方位上的全摆度，mm；j为某一方位上的净摆度,mm；φ180°为旋转180°后的百分表读数,mm；φ0°为旋转前的百分表读数，mm；e联为联轴器处的全摆度,mm；e水为水泵轴处的全摆度,mm。

实际情况可知联轴器处净摆度和两点间的距离，可作一直角三角形ABC,如图4。

图4 联轴器摆度测量示意

(4)

(5)

式中：g为调整高出值,mm；J为联轴器处的最大净摆度值,mm；D为联轴器底面直径,mm；l为两测点间的距离,mm。

根据得出的联轴器调整高出值g，在联轴器与调节机构连接处添加垫片从而调整摆度。推力轴承部件与调节机摆度测量模拟见图5。

图5 推力轴承部件与调节机摆度测量模拟

2.3 齿轮箱、电机同轴度调整及模拟

在安装机组时齿轮箱与电机的联轴器由于是共同取下，所以可看作一个部件，不再另做垂直度测量。齿轮箱联轴器与水泵轴联轴器一般情况下，可能遇到以下四种情形(图6)。

图6 同轴度调整情况

情况1：两半联轴器端面平行且同心，两轴线必在一条中心线上。

情况2：两半联轴器端面平行但轴线不同心，两轴线之间有着平行位移。

情况3：两半联轴器端面轴线同心，但不平行，两轴线之间有角向的位移。

情况4：两半联轴器端面既不平行也不同心，有角向位移也有平行位移，安装时出现的概率最大。

联轴器处于情况1时，是理想位置。而处于情况2～情况4时，都不是标准位置，需要进行调整。同轴度具体调整方法是：安装时，首先调整水泵的轴线，最后再依据水泵轴线来调整齿轮箱和电机的位置。一般在齿轮箱下四个支撑脚分别架设四个千斤顶来调整水平方向的位移，在支脚下加垫片和调整可调垫铁的高度来消除垂直方向上的位移。需要注意的是，在调整过程中，需要先消除联轴器的高差及不同心度，齿轮箱、电机先调整整体在水平和垂直方向上的整体位移，之后再消除联轴器的张口。同轴度调整过程模拟见图7。

图7 同轴度调整过程模拟

3 结 语

研究开发水泵机组轴系测量、摆度分析及调整系统，有效地提高了轴线测量的准确性，缩短了机组安装检修工期、提高了机组利用率，在抽水站在线监测以及三维仿真系统等方面具有重要的学术价值。本文主要介绍了卧式轴流泵轴线及摆度的测量调整原理及方法，并用ProE仿真模拟出其相应动画。轴线及摆度的测量调整一直是卧式轴流泵机组安装中的难点，将其制作成仿真动画对机组大修人员培训有着更为直观的帮助，可有效地提高抽水站轴线及摆度的测量效率，减少人工测量的误差，对机组安装整体精度要求起着优化作用。