一种立式泵组电机轴承的受力分析及选择安装的方法与流程

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本发明涉及一种立式泵组电机轴承的受力分析及选择安装的方法，属于水力发电及立式泵组技术领域。


背景技术：

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随着世界范围内水力资源的开发殆尽，低水头的灯泡贯流式机组逐渐成为新开发方向，且灯泡贯流式机组由于节约土建成本，投资成本低，有较宽效率区，越来越受到青睐。
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但是，由该机型紧凑布局的特点，一些辅助设备在安装位置选择上变得困难，若单独设立安装基础，不然增加土建和机电安装工程量，为降低建设成本，将本组安装于发电机封水盖板是一个较好的选择，例如：某二级水电站灯泡贯流式水轮发电机组发电机二次循环水泵采用立式单级泵，直接安装于发电机封水盖板上，但由于受封水盖板水力振动、发电机电磁振动及水泵、管路水力振动等因素影响，经常发生水泵电机轴伸端轴承发热烧毁故障，给机组安全运行带来了隐患，究其原因，主要是缺乏在复杂环境下轴承的合理的选用及安装方法。


技术实现要素：

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本发明的目的在于提供一种通过采用角接触轴承+减震器(垫)的安装方法，解决复杂环境下立式泵组电机轴承温升快、温度高、易烧毁等问题，能够有效降低发电机二次循环水泵的故障率。
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本发明的整体思路是：
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立式泵组电机轴承轴向载荷较大，故先对其进行受力分析。所述电机转子的重心点上作用着重力、转子不平衡量产生的离心力和定转子轴线偏移时出现的单边磁拉力，电机转轴叶轮端不仅作用着电机转子自重和水泵叶轮自重，还承受水的作用力与反作用力。由此可知，立式电机轴伸端轴承承受载荷较大，加之安装位置在封水盖板，水轮发电机组运行时，泵组也同步运行，电机本身所受的力与封水盖板基础振动、管路水力振动等因素叠加，加剧电机轴伸端轴承容易故障或烧毁。
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根据力的径向平衡条件，由电机电磁力矩作用到轴上的径向力fr可计算出1、2号轴承(非轴伸端与轴伸端)上的径向载荷fr1和fr2,当fr的作用点固定时，径向载荷fr1、fr2即确定，fr1、fr2派生的轴向力fd1、fd2与外加的轴向载荷fa位于铅垂线上。若要达到轴向平衡，那就需要fa+fd2＝fd1。
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(1)当fd1与fd2不满足fa+fd2＝fd1时，则有：fa+fd2＞fd11,轴有向下窜动趋势，1号轴承被压紧，2号轴承被放松；但实际运行中轴承座必然要通过轴承元件施加一个附加的轴向力阻止轴的窜动，所以1号轴承所受总轴向力fa1＝fa+fd2,而2号轴承只承受本身派生的轴向力fd2,即fa2＝fd2。
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(2)当fa+fd2＜fd11时，1号轴承被放松，本身只承受派生的轴向力fd11,即fa1＝fd1,2号轴承所受的总轴向力fa2＝fd1-fa，即轴向载荷fa垂直向下，采用角接触球轴承派
生的轴向力fd1、fd2同时保持垂直向上，可以有效抵消一部分轴向载荷fa(水泵叶轮载荷)。实际运行中，泵组电机的轴向载荷垂直向下，若安装两个角接触轴承，则大部分载荷主要被轴伸端轴承所承受，另一端轴承被放松，由于是角接触，钢珠被放松，即处于松散状态，容易发生润滑不良，发热严重，噪音偏高。所以对于立式泵组，角接触轴承不宜成对使用，应在轴伸端安装深沟球轴承，在非轴伸端安装角接触轴承，同时保证轴伸端的深沟轴承安装的游离间隙，用于补偿水泵管路内水力和叶轮综合作用的不平衡力矩。
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根据步骤二上述的电机轴承的受力分析，可以确定立式泵组电机轴伸端轴承受较大的轴向载荷和径向载荷，可在非轴伸端选用角接触球轴承，在轴伸端选用深沟滚珠球轴承，将立式泵组承受的轴向力分解至非轴伸端，并同时保证轴伸端的深沟轴承安装的游离间隙，用于补偿水泵管路内水力和叶轮综合作用的不平衡力矩。
[0011]
进一步地，考虑封水盖板水力振动较大，还包括在所述立式泵组与其基础的连接处加装减震装置，如加装减振器(垫)来改善电机运行环境，维持电机安全稳定运行。
[0012]
本发明的有益效果在于：本发明解决了复杂环境下立式泵组电机轴承温升快、温度高、易烧毁等问题，能够有效降低立式泵组轴承的故障率。
附图说明
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图1：立式电机受力分析图。
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图2：角接触轴承反装安装方式的受力分析图。
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图3：角接触轴承正装安装方式的受力分析图。
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图中，a—转子重心，b—受力点，1—1号轴承，2—2号轴承，fr—径向力，fa-电机转子轴向力。
具体实施方式
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实施例1
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如图1所示，在转子重心a点上作用着重力、转子不平衡量产生的离心力和定转子轴线偏移时出现的单边磁拉力。b点不仅作用着自身重力和叶轮重力，还承受水的作用力与反作用力。由此可知，立式电机轴伸端轴承承受载荷较大，因为安装位置在封水盖板且盖板强度和刚性较差，水轮发电机组运行时，立式泵组也同步运行，泵组电机本身旋转产生的应力与封水盖板基础振动、管路水力振动等因素叠加，加剧了立式泵组电机轴伸端轴承损坏速度。
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根据力的径向平衡条件，由电磁作用到轴上的径向力fr可计算出1、2号轴承(非轴伸端与轴伸端)上的径向载荷fr1和fr2,当fr的作用点固定时，径向载荷fr1、fr2即确定，fr1、fr2派生的轴向力fd1、fd2与外加的轴向载荷fa位于铅垂线上。若要达到轴向平衡，那就需要fa+fd2＝fd1。
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(1)当fd1与fd2不满足fa+fd2＝fd1时，则有：fa+fd2＞fd11,轴有向下窜动趋势，1号轴承1被压紧，2号轴承2被放松；但实际运行中轴承座必然要通过轴承元件施加一个附加的轴向力阻止轴的窜动，所以1号轴承1所受总轴向力fa1＝fa+fd2,而2号轴承2只承受本身派生的轴向力fd2,即fa2＝fd2。
[0021]
(2)当fa+fd2＜fd11时，1号轴承1被放松，本身只承受派生的轴向力fd11,即fa1＝
fd1,2号轴承所受的总轴向力fa2＝fd1-fa，即轴向载荷fa垂直向下，采用角接触球轴承派生的轴向力fd1、fd2应同时保持垂直向上，可以有效抵消一部分轴向载荷fa(水泵叶轮载荷)。实际运行中，泵组电机的轴向载荷垂直向下，若安装两个角接触轴承，则大部分载荷主要被轴伸端轴承所承受，另一端轴承被放松，由于是角接触，钢珠被放松，即处于松散状态，容易发生润滑不良，发热产生噪音。所以对于立式泵组，角接触轴承不宜成对使用，应在轴伸端安装深沟球轴承，在非轴伸端安装角接触轴承，同时保证轴伸端的深沟轴安装的游离间隙，用于补偿水泵管路内水力和叶轮综合作用的不平衡力矩。
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本发明根据以上电机轴承受力分析，可以确定立式泵组电机下端轴承受较大的轴向载荷和径向载荷，可在非轴伸端选用角接触球轴承，在轴伸端选用深沟滚珠轴承，将将立式泵组承受的轴向力分解至非轴伸端，具体受力分析如图2、3所示。
[0023]
考虑封水盖板水力振动较大，可考虑加装减振器(垫)改善电机运行环境，维持电机安全稳定运行。
[0024]
实施例2
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sh二级水电站1至8号灯泡贯流式发电机组二次循环冷却水泵采用立式泵组，安装于机组封水盖板上，自机组投产后频繁发生轴承温升快、运行温度高，故障高发，作为发电机组冷却系统重要组成部分，故障高发严重威胁机组安全稳定运行。发明人员选取电站2、6号发电机二次循环水泵作为研究对象，进行实际实施，具体如下：
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步骤一：确认立式泵组安装环境。由于安装空间位置受限，立式泵组全部安装在发电机封水盖板，封水盖板采用钢结构焊接，由于承载强度有限，机组运行时受到过水流道水力振动、发电机电磁和机械振动、及泵组本体运转振动等因素作用，机组运行时测得封水盖板振动为2.8mm/s,安装环境复杂。针对于此，通过对水泵基础加装一根工字钢与封水盖板筋樑焊接，工字钢上在加装30mm厚钢板并固定，在水泵4个地脚螺栓位置加装柔性减震垫。
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步骤二：电机轴承选用及安装方法确认。立式泵组电机轴承因为要同时承受径向和轴向力，普通深沟球轴承不能有效承载轴向力，使用过程中容易出现温升快，运行温度高，故障高发，在选用轴承时应优先考虑角接触式深沟轴承，通过在sh二级水电站2、6号机组发电机二次循环水泵电机非轴伸端安装角接触式球轴承，在轴伸端安装深沟球轴承，安装时并保证轴伸端深沟轴承与轴承盒有一定游离间隙。将电机运转中承受的轴向力和径向力分解至轴伸端和非轴伸端承载，避免轴向力和径向力过于集中在轴伸端轴承，造成轴伸端轴承温升快、运行温度高及故障率高发。
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将sh二级水电站2、6号机组发电机二次循环水泵2号电机非轴伸端轴承更换为角接触球轴承，轴伸端选用安装深沟轴承，并对泵组基础加装弹性减震垫，运行后与使用普通深沟球轴承的电机相比，相同运行工况下轴承温度低近20℃，且运行状态良好。
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表1是更换前后对比情况。
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表1
[0031][0032]
说明本发明方法能有效解决复杂安装环境立式水泵电机轴承温度高、易烧毁问题。