立式高速泵止推滑动轴承设计研究

尤静辉，范正天

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176）

0 引言

立式高速泵在石油、化工、能源、航天等领域的应用十分普遍。高速泵的增速系统采用齿轮增速，增速箱是立式高速泵的重要部件，主要由增速箱箱体、润滑系统、齿轮轴组件和高速滑动轴承等。在齿轮增速箱的增速作用下，高速泵高速轴的最高转速能够超过10 000 r/min。高速泵的高速轴由滑动轴承进行承载，在如此高转速的情况下，如果使用滚动轴承很容易发生磨损，会导致高速泵不能平稳运行，并产生噪声。滑动轴承的特点是运行平稳、可靠，在能够保持充分润滑的条件下降低表面磨损。

1 止推滑动轴承简介

本文对LMV-322 型立式高速泵高速轴使用的止推滑动轴承进行研究。LMV-322 型高速泵是单级单吸立式泵，通过一级齿轮箱驱动主轴高速运转，从而达到预期的效果，其基本性能参数见表1。

表1 LMV-322 立式高速泵基本性能参数

止推滑动轴承作为立式高速泵的重要部件之一，其承载特性对高速泵的正常运行具有非常重要的影响。立式高速泵止推滑动轴承位于高速输出轴的上、下两端（图1）。止推轴承所受到的载荷主要来自以下3 方面：①高速轴组件所受重力；②入口压力产生的向上的力；③运输介质对流过部件产生的力。

图1 止推滑动轴承安装位置示意

止推轴承工作时的润滑形式为流体动压润滑。通常情况下，影响流体动压润滑的因素有轴瓦形状、轴承材料、工况、润滑方式等。其中，轴向载荷通过润滑油膜作用在轴承瓦面的挤压力会使轴瓦发生压力变形；润滑过程中产生的剪切热会导致轴瓦由于热应力发生热变形，这两种轴瓦变形会对润滑性能有一定的影响。

对于改善止推滑动轴承承载特性的一个有效途径就是优化结构设计，通过结构改进能够尽可能地提升轴承性能，进而降低其他因素产生的不利影响，并且通过研究轴瓦结构能够对油膜特性进行一定预测。

止推滑动轴承的结构相对比较简单，但对于高承载、高稳定性的轴承结构设计有一定难度。根据轴承轴瓦是否可倾，可以将止推滑动轴承分为固定瓦止推滑动轴承和可倾瓦止推滑动轴承。固定瓦止推瓦滑动轴承相对于可倾瓦轴承具有结构简单、体积小的特点，因此具有高承载性能的固定瓦止推轴承优势更加明显。轴承瓦面结构是影响固定止推滑动轴承承载性能的主要因素，常见的轴承瓦面结构有阶梯面轴瓦结构、斜面轴瓦结构、斜平面轴瓦结构、多油沟面轴瓦结构等，其结构如图2 所示。

图2 常见止推滑动轴承结构

立式高速泵因为在停止运行时也承受轴向重力，因此其止推滑动轴承轴瓦结构常选用斜平面瓦结构，斜平面轴瓦的平面区域能够支撑泵停止运行时的轴向力和启动载荷。对于固定瓦止推滑动结构，目前常见的问题有：①轴承的承载力很难进行更大程度的提升；②瓦面油膜的稳定性比较差；③当设备启动、停止或转速较低时特别容易发生摩擦和磨损；④过高的转速容易导致油膜温升过高，进而引起润滑介质的黏度下降。

2 斜平面偏心结构瓦止推滑动轴承设计

液体动压止推滑动轴承的结构如图3 所示，动压止推滑动轴承组成部分有推力环、轴瓦和轴承支座。推力环固定在主轴上，轴瓦与轴承支座相连在一起。

图3 止推滑动轴承结构示意

LMV-322 型高速泵中，早期使用的是平面瓦止推轴承。随着高速泵的性能要求在不断的提高，对止推轴承承载能力和润滑特性的要求也越来越高，在实际应用中平面止推滑动轴承逐渐被斜平面瓦取代。为进一步提高止推滑动轴承承载性能，本文在斜平面瓦结构的基础上进行改进优化，设计斜平面偏心结构瓦。传统斜平面瓦中平面与斜面的交界线通过轴承圆心，而斜平面偏心结构瓦中平面与斜面的交界线不通过止推轴承圆心，形成一定的偏心距，使得径向也存在收敛楔形。传统斜平面瓦止推滑动轴承与斜平面偏心结构瓦止推滑动轴承的结构对比如图4 所示。

图4 轴承结构对比

在止推滑动轴承结构具体的分析和设计过程中，参考机械设计手册确定结构设计相关参数技术（表2）。图4b）中油槽处设置了径向厚度1 mm 的阻油边，能够减小润滑油泄流，增加轴承承载能力。P 为偏心距，β 为平面内径边的角度。在斜、平面交界线与内径处交点不变的情况下，β 角度的不同决定了斜、平面交界线与内径处交点位置。

表2 止推滑动轴承设计参数

油槽外径处设置了减少润滑油泄流的阻油边，使润滑油膜更加稳定，增加了轴承的承载能力。当其他结构因素不变时，偏心距P 值的大小直接决定斜平面偏心结构止推滑动轴承轴瓦的瓦面形状，不同收敛楔形间隙，使润滑油形成动压效应的效果也不尽相同。随着偏心距的增大，油膜压力峰值先增大后减小。油膜高压区在平面与斜面交接处，故当偏心距较大时，油膜高压区更靠近油膜中心区域。在偏心距为6 mm 左右时轴承的承载性能最高。

温度是影响轴瓦变形和瓦面应力的主要影响因素，偏心距增加使得瓦面温度增加进而导致瓦面变形增加、瓦面等效应力增加。当斜面倾角α 为0.27°～0.29°时承载性能最好，倾角越大瓦面温度越低，并且瓦面变形和瓦面等效应力也越小。

3 总结

本文针对LMV-322 型立式高速泵高速轴使用的止推滑动轴承进行研究，介绍止推滑动轴承的结构，设计斜平面偏心结构瓦结构止推滑动轴承。研究斜平面偏心结构瓦止推滑动轴承，对偏心距、斜面倾角等结构参数对轴承承载特性的影响进行分析，得出阻油边、瓦面偏心距、斜面倾角是影响轴承承载特性的主要因素，为斜平面偏心结构瓦止推滑动轴承的结构设计提供参考。