超高推力轴承的研发设计

李爱莲

摘要：推力轴承是用来承受轴向力的专用轴承，也被称为止推轴承。文章以某潜水机械推力轴承在水润滑状态下的运行系统设计为例子，介绍了水润滑超高转速推力轴承以及上导轴承的设计。

关键词：潜水电机推力轴承设计

近年来，以水为润滑介质的推力轴承以其高摩擦系数、温升小、功耗低和对环境友好、经济安全等等优点，在一些大型设备中得到了广泛应用。

水润滑推力轴承通常是由耐磨的钢基推力盘及由常规滑动轴承材料制成的止推对磨零件构成的。止推垫片一般采用整体式的，本设计为提高止推力，采用分瓣式的止推对磨垫片，本产品主要用于需要承受大轴向力的潜水电机。

水润滑推力轴承大都应用于某些水轮机、汽轮机和电机等大型的旋转机械设备中，主要用来承受各类轴向荷载，是直接影响此类设备能否长期可靠稳定运行的关键部件，决定着设备的承载能力和检修周期。随着经济社会的发展进步，这类设备越来越朝着大功率的方向飞速发展，这对水润滑推力轴承的承载能力、润滑性能提出了更为苛刻的要求。基于此种情况，我们认为，对大型泵水润滑推力轴承进行深入研究十分必要，其市场前景也会非常广阔。

目前，泵类用电机使用的推力轴承多为石墨浸各种合金元素轴承，其承载能力较低，一般均在1.8--2吨以下，适用范围非常受限。所以高承载能力轴承的研制显得越来越突出。

一、国内外研究概况、水平、发展趋势

1886年，英国物理学家雷诺提出了轴承的润滑理论和流体动力润滑方程，但以低粘度流体动压轴承如水润滑轴承研究和应用却一直没得到业内广泛的重视，总体技术发展十分缓慢。

近年来，水润滑轴承研究在一些国家得到重视，并取得重大进展，这方面英国、德国和日本等国走在了前面，做了大量的工作，产品也应用比较广。基于各种现实原因，目前我们国内水润滑轴承的应用比较少，市场份额明显偏少，部分企业应用的水润滑橡胶轴承还是从德国引进技术，通过试验和对比仿制加工，本身缺少深入研究。据了解，国内部分企业20世纪50年代开始使用水润滑轴承产品，主要用在轴流泵、离心泵上，到70年代，逐步开始在潜水电泵产品上使用水润滑推力轴承，材质主要以石墨为基本材料，承载能力大都偏低，和国外产品差距很大，高承载能力的水润滑轴承产品在国内市场尚属空白。为填补该项空白，我们协同协作单位，决定共同开发高承载力分瓣式自调心推力轴承。

二、技术成果

分瓣式自调心推力轴承的摩擦副是由不锈钢或铜合金材料与高分子聚氨酯复合材料作为摩擦副的一种新型轴承。其在工作时，在摩擦副之间形成一层薄层膜，在高速旋转状态下，该层水膜可以对轴承在高速运行时起到良好的润滑作用，而该层水膜需一定的线速度和良好的润滑条件，不得含有油类等物质和颗粒杂质，否则就会破坏水膜，起不到良好润滑，导致轴承冷却条件差，轴承运转时产生的热量散发不出去，轴承就会损坏，影响轴承寿命。

水是一种低粘度液体，在其他条件都相同情况下，获得同等的承载能力，水膜的厚度要达到油膜的1.8倍。水的这一性质，决定了水润滑轴承承载能力往往偏低。如何提高水润滑轴承承载能力，我们精心挑选了一有多年生产经验的泵类生产厂家作为合作对象，结合他们使用推力轴承的经验，共同研制了分瓣自调心推力轴承。其承载能力通过试验，其承受轴向荷载的能力大大提高，能够达到5吨。

在研制过程中，我们针对紊流和层流这两种工作情况进行了详细分析，通过MATLAB软件计算，提出了两种工况下轴承的数学模型，并分析和计算了推力轴承的各种几何参数（如推力轴承的支点放置位置和长宽比、轴瓦的倾斜角度等）以及运行时的工作情况参数（如流体入口的压力、轴承的转速等等），得到了不同工作情况下，水润滑推力轴承的压力分布曲线以及水膜厚度分布，并对轴承的几项主要的润滑指标特别是承载性能指标的影响规律作了详细的分析。

另外，我们优化了推力轴承瓦的表面造型，提出了不同推力瓦型面的数学方程和几何模型，适当的简化了扇形推力轴瓦结构，对轴承瓦进行了差分化、无量纲化和离散化的分析和操作，用了迭代求解、逐次超松弛等数值计算方法，对一维无限宽滑块、二维有限宽滑块模型分别进行编程计算，详细分析了各种工况下对轴承润滑性能的具体影响，并进一步找出规律，精选出最佳的推力瓦型面，进而对两类滑块进行了优化设计，研究出了表面粗糙度对其承载性能产生何种影响，并建立了相应的数学模型。

通过多次对比试验，我们发现粗糙度对水膜的形成的影响还是很大的。瓦面越粗糙水膜越难形成，轴承承载能力越低；瓦面越光滑，水膜易形成，轴承的承载能力越高。这就给轴承瓦面加工提出了更高的要求。我们通过选用3Cr13分块对磨石墨平板，精细设计受力情况，提高承受轴向推力能力。

以往机械转动系统中仅以金属材料制造摩擦副的传统观念，在水润滑轴承出现后得到了改变，随着水润滑轴承的推广和使用，在制造轴承过程中，简易了轴系结构，节省了大量贵金属的有色金属和油料。

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作者简介：姓名：李爱莲，性别：女，职称：副教授，专业方向：机械制造及其自动化，所属行业：教育。