无轴电泵推力轴承设计

李星

无轴电泵的叶片安装于转子内腔，中心无轴，定子采用耐水线绕组，与普通潜水泵相比，具有通过性好的独特优势，特别适用于含有大颗粒杂质的流体环境，机组结构简单，极大降低了泵系统的故障率，转子内筒可附加剪切刀片，能够应用于包含更大颗粒杂质的流体环境，因其特殊结构，对推力轴承性能要求很高。第一，无轴电泵的推力轴承布置在叶片的外缘，其摩擦线速度大于叶片外缘的线速度，为了保证水泵正常运行和足够的气蚀余量，泵的nD值一般在300-500，也就限制了水泵叶轮最外缘的线速度，通过计算得到其叶片外缘的线速度在20m/s以上，其推力轴承副的線速度更大。第二，推力轴承承担叶片上所有的推力，一台50kW无轴电泵的承载推力大约为10kN。基于无轴电泵的推力轴承工况特点，因此推力轴承材料选择和结构设计非常关键。

近年来非金属复合材料轴承已经逐步取代一部分金属材料轴承，具有成本低，摩擦系数低等优势。非金属复合材料轴承可不需油润滑，水可充当冷却剂和润滑剂，对环境无污染，因此在泵上的运用越来越广泛。在水润滑条件下，非金属复合材料轴承需满足启停或低速时具有摩擦系数小、高耐磨特性，比传统材料更容易形成水润滑膜。考虑到轴和推力轴承是一对滑动摩擦副，其摩擦力和线速度越大，摩擦产生的热越多，若超过允许的热量，会导致轴承烧毁，推力轴承需要首先计算工作压力和发热量，来指导选择轴承材料和结构设计，表达式为：

以300mm口径的无轴电泵为例，根据转速及轴承载荷，确定其轴承尺寸参数和工况如表1：

通过计算后，拟采用一种钢背聚四氟乙烯复合材料作为其轴承，聚四氟乙烯复合材料通过钎焊工艺附着在钢背上，结合强度大于20MPa，摩擦系数小，比传统材料使用寿命更长，材料的性能参数如表2：

为了利于形成水润滑，结构上将环形的推力轴承分为8个部分，有助于流体水进入摩擦副表面，对摩擦副表面进行冷却和形成水润滑膜。通过仿真验证推力轴承是否具备形成水润滑条件，选定轴承的其他参数如下：

（1）润滑方式：水润滑;

（2）工作温度：20℃;

（3）20℃下水的动力粘度为0.001Pa.s，密度为1000kg/m3。

推力轴承润滑计算结果如表3 和图1所示。

在给定润滑介质为水的情况下，由仿真计算结果可知，在给定的轴向承载力为9.2kN的条件下，形成的最小水膜厚度分别为6μm，且形成的最大承载压强为1.26MPa，约是平均比压的3倍，能够形成良好的动压润滑。

最后，在水润滑推力轴承试验台和实泵上安装测试了此轴承，其摩擦阻力相对于旧轴承降低了30%，平衡态温升下降了3°C。