一、軸向力的產(chǎn)生及危害

水泵在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,，其主軸會(huì)產(chǎn)生軸向力,。由于泵腔內(nèi)流體流動(dòng)，必然會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生動(dòng)反力,，因而泵工作時(shí)產(chǎn)生軸向力不可避免,。轉(zhuǎn)子在軸向力的作用下,，產(chǎn)生軸向位移，造成動(dòng)靜部間相互研磨,、碰撞,，導(dǎo)致水泵嚴(yán)重?fù)p壞。軸向力的存在會(huì)造成水泵無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行,，降低其使用壽命和整體性能,，嚴(yán)重時(shí)甚至危及操作人員的安全。因此,，平衡水泵軸向力,，是提高水泵主軸性能，從而提升水泵整體性能及安全性的關(guān)鍵,。

除以上必然因素造成泵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力外,，其他不合理因素也會(huì)導(dǎo)致軸向力，主要有以下幾種:

1,、當(dāng)泵在正常運(yùn)行時(shí),，葉輪吸入口處的壓力為P1，葉輪背面的壓力為P2,且P2>P1,。因此沿著泵的軸向方向就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)推力F1,。

2、液體流經(jīng)葉輪后,，由于流動(dòng)方向變化所產(chǎn)生的動(dòng)反力F2,。在多級(jí)離心泵中，流體通常由軸向流入葉輪,，徑向流出,，流動(dòng)方向的變化是由于液體受到葉輪的作用力，因此液體也反作用給葉輪一個(gè)大小相等,、方向相反的力,。由于葉片上壓力分布不對(duì)稱(chēng)而引起的軸向力F

3。葉片工作面壓強(qiáng)大于葉片背面的壓強(qiáng),，其所形成的壓力差也將產(chǎn)生軸向力,。

4、由于葉輪流道內(nèi)的壓力分布不對(duì)稱(chēng)而產(chǎn)生的軸向力F4,。

5,、對(duì)子立式泵而言，其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是有重力的,，這會(huì)成為軸向力的組成部分,；而對(duì)于臥式泵，這個(gè)軸向力是不存在的。

6,、葉輪前后蓋板不對(duì)稱(chēng),； 

7、軸臺(tái)階,，軸端等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不合理因素,；

8、其他因素引起轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力,，如泵腔內(nèi)徑向流,。

在眾多產(chǎn)生軸向力的因素中，泵腔內(nèi)流體的動(dòng)反力以及葉輪前后蓋板不對(duì)稱(chēng)是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力的主要原因,。

二,、水泵軸向力平衡方法

平衡水泵轉(zhuǎn)子軸向力的方法多種多樣，例如在泵外部設(shè)置推力軸承,、于水泵腔體上開(kāi)設(shè)平衡孔或平衡管以降低泵壓,、葉輪設(shè)計(jì)時(shí)采用背葉片、雙葉輪,、葉輪對(duì)稱(chēng)分布等形式,，以及使用平衡盤(pán)、平衡鼓結(jié)構(gòu)等,。其中,，多利用平衡盤(pán)和平衡鼓結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子軸向力進(jìn)行平衡。

平衡盤(pán)被廣泛應(yīng)用在多級(jí)泵的軸向力平衡上,，位于泵末級(jí)葉輪之后,，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。平衡裝置存在徑向和軸向兩個(gè)間隙,，由末級(jí)流出的帶壓液體,，經(jīng)徑向間隙流入平衡盤(pán)前的空腔中，使之形成高壓力狀態(tài),。于平衡盤(pán)后側(cè)的空腔上開(kāi)設(shè)平衡管,，并與水泵入口相連通，使該處空腔內(nèi)壓力與泵入口處壓力基本一致,。由于平衡盤(pán)前后兩空腔內(nèi)壓力不等,，構(gòu)成壓力差，產(chǎn)生與軸向力反向的平衡力,，達(dá)到平衡效果,。

采用平衡盤(pán)結(jié)構(gòu)平衡水泵轉(zhuǎn)子軸向力時(shí),，由于軸向力不斷變化,，平衡力也隨之改變，因而,，其工作過(guò)程是動(dòng)平衡過(guò)程,。平衡盤(pán)依靠轉(zhuǎn)子竄動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)其可變間隙大小,，從而調(diào)節(jié)平衡力大小，能夠充分平衡轉(zhuǎn)子軸向力,，無(wú)需依靠外部推力軸承輔助,，因而平衡結(jié)構(gòu)可省略外部推力軸承。

平衡盤(pán)結(jié)構(gòu)存在的缺陷:

(1)當(dāng)泵轉(zhuǎn)子以較低速度啟動(dòng)時(shí),，泵中流體產(chǎn)生的推力較小,，無(wú)法將平衡盤(pán)推離平衡座，導(dǎo)致工作時(shí)二者接觸,，產(chǎn)生研磨,，造成磨損，達(dá)到一定限度后需進(jìn)行更換,，降低平衡盤(pán)使用壽命,。

(2)平衡盤(pán)軸向間隙極小，使得其應(yīng)用范圍受限,，不適用于泵體內(nèi)液體含沙,、泵干轉(zhuǎn)或 泵內(nèi)液體接近氣化等工況。

(3)由于平衡盤(pán)依靠平衡管泄露泵內(nèi)液體,，使其前后產(chǎn)生壓差來(lái)平衡軸向力,，泄露會(huì)造成泵的效率降低。

平衡鼓在離心壓縮機(jī)軸向力平衡領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,，其結(jié)構(gòu)如圖2所示,，平衡鼓不存在軸向間隙(公眾號(hào):泵管家)，帶壓液體經(jīng)平衡鼓徑向間隙進(jìn)入平衡腔,，構(gòu)成高壓,，于其后的空腔內(nèi)壁上設(shè)置平衡管與泵入口相通，使腔內(nèi)壓力始終大于或等于入口壓力,，從而達(dá)到平衡軸向力的目的,。

采用平衡鼓結(jié)構(gòu)平衡軸向力，平衡鼓結(jié)構(gòu)動(dòng)靜部間的間隙為制造時(shí)制定,，無(wú)法自動(dòng)調(diào)整平衡力大小,，因而，需要在外部安裝止推軸承以平衡多余的平衡力,，其優(yōu)點(diǎn)在于,，動(dòng)靜部無(wú)接觸，無(wú)磨損,，因而使用壽命較長(zhǎng),。

單獨(dú)采用平衡盤(pán)進(jìn)行水泵軸向力平衡時(shí)，由于其軸向間隙極小，當(dāng)泵體內(nèi)液體流量發(fā)生變化,，或水泵工作狀態(tài)發(fā)生瞬時(shí)變化時(shí),，極易造成平衡盤(pán)與平衡環(huán)貼合或卡緊，二者產(chǎn)生研磨,、損壞,，從而大大降低平衡盤(pán)壽命，影響水泵正常運(yùn)作,。因而,，為提高水泵軸向力平衡機(jī)構(gòu)性能，可采用平衡鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向力平衡,，但單獨(dú)采用平衡鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向力平衡時(shí),，泵體會(huì)產(chǎn)生較大泄露，極大地降低了水泵的輸送效率,。因此,，為了提高平衡裝置總體性能，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn),，可采用平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合結(jié)構(gòu)平衡水泵轉(zhuǎn)子軸向力,。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

采用這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)單獨(dú)采用平衡鼓平衡軸向力時(shí),，需在外部加裝止推軸承,，采用該聯(lián)合結(jié)構(gòu)時(shí),由于平衡盤(pán)的存在，可省略安裝止推軸承,。

(2)平衡鼓平衡軸向力的同時(shí)也可平衡掉一部分平衡盤(pán)產(chǎn)生的平衡力,，減小平衡盤(pán)前后壓力差，使平衡盤(pán)與支撐環(huán)更易分離,，不易造成磨損,，使整個(gè)平衡裝置性能可靠。

(3)要求泵進(jìn)行空轉(zhuǎn)時(shí),，需在泵上安裝止推軸承,，聯(lián)合機(jī)構(gòu)的存在可以大大降低止推軸承的負(fù)荷。

本文給水泵應(yīng)用于核電站輔助給水,，電動(dòng)機(jī)輔助給水泵規(guī)格書(shū)規(guī)定,，不允許單獨(dú)采用平衡盤(pán)作為軸向力平衡裝置，因而 測(cè)試對(duì)象擬定采用單平衡鼓或平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合機(jī)構(gòu)作為泵軸向力平衡裝置,。

三,、流量與軸向力關(guān)系計(jì)算

水泵轉(zhuǎn)子軸向力大小與流體流量關(guān)系的計(jì)算情況復(fù)雜，形式多樣,，采用不同形式的平衡結(jié)構(gòu),，其平衡力計(jì)算方法也相應(yīng)不同,。本文測(cè)試對(duì)象擬定采用單平衡鼓或平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合機(jī)構(gòu)兩種不同結(jié)構(gòu)作為泵軸向力平衡裝置，選取性能最優(yōu)者作為最終平衡方案,。分別根據(jù)兩種不同結(jié)構(gòu)，確定經(jīng)平衡裝置平衡后,，總軸向力與流量關(guān)系,。

①采用單平衡鼓作為軸向力平衡裝置，計(jì)算采用這一結(jié)構(gòu)時(shí),，泵體內(nèi)流體流量與轉(zhuǎn)子總軸向力大小關(guān)系,。

②以平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合機(jī)構(gòu)作為軸向力平衡裝置，計(jì)算采用這一結(jié)構(gòu)時(shí),，泵體內(nèi)流體流量與轉(zhuǎn)子軸向力大小關(guān)系,。

四、軸向力的測(cè)試 

現(xiàn)有的軸向力預(yù)測(cè)方法一般分為試驗(yàn)測(cè)量采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算兩種,， 水泵廠很多由經(jīng)驗(yàn)法和理論計(jì)算法所得出的軸向力精度及適用性較差,，對(duì)于重要用途的離心泵需要進(jìn)行軸向力的實(shí)際測(cè)量，以保證正確設(shè)計(jì)軸向力平衡裝置,，選用合適的軸向推力軸承,，防止軸向力平衡裝置或軸承破壞引發(fā)的失效等故障。同時(shí),，通過(guò)測(cè)試還可以獲取準(zhǔn)確的軸向力數(shù)值,，用來(lái)校正和修改經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式及理論計(jì)算模型。綜合國(guó)內(nèi)外多種軸向力測(cè)試方法,，可分為以下幾類(lèi)：

1,、安裝拉壓力傳感器

2010年，俄羅斯學(xué)者提出在測(cè)試軸向力時(shí),，可以將該測(cè)力儀安裝在泵轉(zhuǎn)子末端,，直接測(cè)量軸向力，利用彈性元件及應(yīng)變片產(chǎn)生的形變進(jìn)行測(cè)量,，其測(cè)試方法如下圖所示,。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝,，但體積較大,，不適合內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的水泵裝置。 

2,、液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)

利用液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)測(cè)試單級(jí)離心泵軸向力的裝置,如圖2所示,，該裝置由軸向力輸出、軸向力輸入,、軸向力數(shù)值顯示和砝碼測(cè)力機(jī)構(gòu)四部分組成,。其基本原理是泵運(yùn)行時(shí),，泵軸在軸向力與靜態(tài)液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)給予的相反方向力軸向力的作用下，達(dá)到軸向平衡,，不產(chǎn)生軸向位移,。由于該裝置能夠自動(dòng)消除滑動(dòng)摩擦力和靜摩擦力的干擾，所以液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)給予泵軸的反向軸向力正好等于泵腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)流體給予葉輪的軸向力,。讀出兩個(gè)顯示裝置的壓力差,，就能得到軸向力的大小.還可以用靜態(tài)液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)和砝碼測(cè)力機(jī)構(gòu)互相酉己合測(cè)出軸向力，對(duì)比兩套測(cè)力裝置的測(cè)試結(jié)果(公眾號(hào):泵管家),。該方法可以在時(shí)一種工況下用兩種方法同時(shí)測(cè)量,，從而具有自校功能，準(zhǔn)確性高,，讀取數(shù)據(jù)方便快捷,，但裝置體積較大，裝配復(fù)雜,。

3,、直接粘貼應(yīng)變片

在結(jié)構(gòu)緊湊的 泵上，由于軸向空間被機(jī)械密封占據(jù),，沒(méi)有足夠的空間給予安裝測(cè)量裝置,，難以測(cè)定軸向力。用“多點(diǎn)應(yīng)力法”測(cè)量多級(jí)離心泵軸向力和徑向力,，該方法是根據(jù)多級(jí)離心泵的受力特點(diǎn),，對(duì)離心泵后端軸承的支架進(jìn)行測(cè)量，該支架的形狀通常都為一定厚度的準(zhǔn)半圓柱殼體,，選取適當(dāng)?shù)慕孛嬲迟N應(yīng)變片,，讀取測(cè)試值后，再計(jì)算軸承支架的慣性矩,、金屬截面積形心位置等幾何特性,，通過(guò)軸向力計(jì)算公式最終求得軸向力。該方法所占空間小,，但計(jì)算復(fù)雜,。

4、測(cè)力彈性元件

測(cè)量燃?xì)廨唹簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)子軸向力的傳感器,，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸承腔內(nèi)有一定的安裝空間時(shí),，可以考慮在軸承的兩側(cè)安裝傳感器彈性元件，彈性元件設(shè)計(jì)為圓環(huán)形,，其幾何尺寸近似于轉(zhuǎn)子推力軸承的外環(huán)的尺寸,，分別將圓環(huán)形傳感器安裝在軸承的兩端面，直接感受軸承外環(huán)軸向力,。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，尺寸小,，實(shí)時(shí)性好，但測(cè)量結(jié)果易受到環(huán)境干擾,。

5,、彈簧秤測(cè)量裝置

以彈簧秤為測(cè)力核心，軸承座與定子固定,，軸承套與右軸承座為間隙配合,，安裝在軸承套內(nèi)的零件可隨轉(zhuǎn)子一起作軸向位移，壓蓋與測(cè)力拉桿連接,，利用杠桿原理,，通過(guò)彈簧枰進(jìn)行軸向力測(cè)量,。當(dāng) 水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，葉輪轉(zhuǎn)子體在軸向力的作用下偏向一端，用外力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子居中,，此拉力與軸向力相等,，測(cè)力機(jī)構(gòu)測(cè)得的拉力即為軸向力。該方法原理簡(jiǎn)單易懂,，但測(cè)試精度不高,，數(shù)據(jù)不能即時(shí)與微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集,。

6,、電渦流效應(yīng)測(cè)量裝置

可以使用電禍流式測(cè)力儀來(lái)測(cè)量主軸回轉(zhuǎn)精度,當(dāng)被測(cè)對(duì)象的尺寸、位移等參數(shù)發(fā)生改變時(shí),，會(huì)引起測(cè)力儀感應(yīng)線(xiàn)圈電感,、阻抗等特性發(fā)生變化，并具備特定對(duì)應(yīng)關(guān)系,。如果上述參數(shù)中的某一個(gè)發(fā)生改變,，即可用來(lái)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)測(cè)試。測(cè)量時(shí),，在主軸的軸線(xiàn)平行方向安裝這個(gè)電渦流式測(cè)力儀,，當(dāng)有軸向力產(chǎn)生時(shí)，主軸產(chǎn)生位移,，使主軸末端與渦流式測(cè)力儀線(xiàn)圈之間的距離發(fā)生變化,，與側(cè)向測(cè)力伩配合，將位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào),，經(jīng)放大,、濾波、A/D轉(zhuǎn)化等處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理即可得到使主軸產(chǎn)生此位移量的軸向力大小,，該方法可結(jié)合計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù),，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng),，但不適于內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)械裝置,。除了以上介紹的方式外， 水泵廠還有利用即應(yīng)變計(jì)填埋法,，軸向電磁力,，等離子電弧力等方法測(cè)量軸向力。