立式电机轴承系统的选择

许多立式电动机被用来驱动水泵。电动机的选择需要注意许多细节，包括电源、环境和负载。本文介绍了载荷对轴承系统的影响。在这里，轴承系统指的是轴承、箱体、密封、润滑和冷却方法。

立式电动机在电气特性方面与卧式电动机相似，但在机械上有所不同。

由于它们垂直安装，上轴承单独支撑转子的重量，在某些应用中，还支撑泵的叶轮、轴和流体动力推力的重量。

图1所示为直接安装在泵头上的立式电动机。大型和/或重型电动机可能需要单独的结构或基础。

图1 - 安装在泵上的立式电动机（图片由TMEIC提供）

上轴承应支撑转子和外部推力，当有规定时保持径向稳定性、持续合理的时间、需要合理的维护间隔、并以合理的损耗运行。设计这样的轴承系统，需要以下参数：

1）正常、连续下推力是计算轴承寿命的基础；

2）对于可倾瓦轴承，最大瞬时下推力；

3）最小下推力 - 调心滚子轴承所需；

4）瞬时上推力 - 如果预测持续上推力，应通知电动机制造商。

根据制造商的标准，电动机上使用了多种类型的轴承。大型泵系统可能需要根据规格定制轴承系统。最常用的轴承系统类型是深沟球轴承、角接触球轴承、调心滚子轴承和可倾瓦轴承。

泵沙龙注

1）API 610第11版标准规定：如果能量强度【即泵额定轴功率（kW）和额定转速（r/min）的乘积】为4百万或更大，则必须使用流体动压径向轴承和推力轴承。

2）GB/T 16907-2014标准规定：只要满足下列情况之一，应使用流体动压径向和/或推力轴承。

a) DN系数【DN系数是轴承尺寸（孔径，mm）与额定转速（r/min）的乘积】大于或等于30万。

b) 泵的额定轴功率（kW）和额定转速（r/min）的乘积大于等于200万。

c) 标准滚动轴承满足不了标准4.12.1.2给出的基本额定寿命L10。

轴承的类型和用途

导向轴承 - 位于立式电动机的下部，靠近轴端。它为转子提供稳定性，如果规格合适，可用于维持瞬时轴向上推力。

通常，深沟轴承使用脂润滑。但是，当电动机配备可倾瓦轴承时，导向轴承将采用套筒型。

图2 - 深沟球轴承装配

图3 - 角接触球轴承装配

推力轴承 - 推力轴承安装在电机的上部，与（驱动）轴端相对。图3显示的是角接触球轴承，通常用于较小的电机架。角接触球轴承可以承受径向和轴向力，这是由于内、外滚道相对于轴承轴线相互偏移造成的。

电动机设计人员可选用双列滚动体的角接触轴承，以增加下推能力。滚动元件和滚道之间的接触角（用希腊字母α表示）的增加增加了承载能力。

润滑脂可用于在较宽的转速和下推力值范围内、有效地润滑这种类型的轴承。当润滑脂不再有效时，可采用油浴润滑。在更大的轴承箱中，通常装有（水冷）冷却盘管，以保持规定的油温。

调心滚子轴承（图4）支持大的向下推力。它的自对中能力可以补偿电动机和被驱动设备之间的轻微错位，而不会影响使用寿命。调心滚子轴承不能承受向上方向的推力，必须始终加载以避免失去径向稳定性。当预测到瞬时上冲时，它们由导向轴承的特殊配置处理。

必须限制在此条件下运行，以避免导向轴承疲劳。

图4 - 调心滚子轴承装配

图5 - 可倾瓦推力轴承装配

为了确保滚子轴承始终承受负载，安装了一组弹簧以向上推动下座圈。当发生向上推力时，弹簧提升下座圈以保持其与滚柱的的接触。一般来说，泵施加的负荷（水力推力）随流量增加而减小，随流量减少而增大。

当VFD为电动机提供动力时，可以改变泵的转速来调整泵送流量，同时在泵系统的最大效率点附近运行。流量的减少使轴承卸载，弹簧将起作用以保持下座圈与（球面）滚子接触。

调心滚子轴承的润滑油可采用风冷或水冷方式，以在严重的下推力下散热。

图5所示的可倾瓦轴承包括两个主要部分：一系列金属推力轴瓦，每只轴瓦都以中心为支点，使它们能够倾斜；一只固定在电机轴上的金属轴环（推力头），在轴瓦上运行。这些零件位于油箱中，由水冷却，水通过盘管（蛇形管）循环。

轴环的旋转运动和每只推力瓦的倾斜运动，允许在它们之间形成一层薄薄的油膜。这层油膜避免了两个运行零部件之间的接触。在没有形成油膜的情况下，摩擦会加热轴瓦和轴环，导致轴承失效。

泵沙龙注：通常，与金属轴环径向接触部位配有（圆筒形）导瓦，以确保电动机转子径向稳定。

当充分润滑、无污染且不过载时，可倾瓦轴承可以无限期地使用。

由于轴环和轴瓦之间的接触面积很大，可倾瓦轴承可以承受较大的下推力，对于这种耐用性和高承载力的可倾瓦轴承，其成本远高于球或滚子轴承。

必须特别注意运行条件（注：由泵沙龙修改、增补）：

1）如果在启动过程中，电动机轴承需要承受泵部件的自重及轴向力，这些信息必须提供给电动机制造商（以确定电动机轴承是否需要轴提升装置）。

2）电动机的加速必须足够快，以便在轴瓦和轴环之间形成油膜。

3）出于同样的原因，如果泵的轴向推力由电动机承担，则必须向电动机制造商提供预计在停机时发生的最大总下推力。

4）具有零转速初始扬程的泵会在轴承建立足够的油膜之前加载轴承。

5）最低运行转速必须能够形成油膜。

6）过大的过载会破坏油膜。因此，必须向设计都披露任何过载的可能性，并且要求电动机不得在超过此额定值下运行。

结论

为了正确选择轴承系统，必须考虑实际推力值。避免将数值夸大作为获得更长寿命或增加“安全”裕量的手段。可根据实际工况进行设计，以达到更长的使用寿命。

当配置VFD时，考虑电动机绝缘而忽略轴承是不寻常的。这可能因为运行较低的转速要以使轴承受益。然而，在较低的流量下，流体动力推力可能会减小到超出向心滚子轴承正常工作的最小推力。

所有类型的轴承都需要适当的维护、清洁和适当的负载，以便它们可以按设计运行。在升级或新的泵系统上，电动机制造商和泵OEM之间的合作关系可以产生卓越的泵系统。

如果用户未要求，电动机制造商可能会给出最多30秒的最大瞬时向下推力的限制 - 等于连续向下推力的1.5倍。最多30秒的瞬时上推力相当于连续下推力的30%。虽然这有助于不超过轴承的承载能力，但设备所有者应确认电动机符合泵的实际要求和运行条件。