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轴向力

轴向力(axial force)是指作用引起的结构或构件某一正截面上的反向拉力或压力,当反向拉力位于截面形心时,称轴心力。

它可以与地球引力相抗衡,也就是说,它能使这个物体更加平稳。陀螺、自行车就是靠这个原理而运动的。当他向一个方向倾斜时,这种平衡将会被打破,所以就会产生一个像这个方向的力。倾斜的角度越大,这个力就会越大。德国纳粹在二战时研制的飞碟就是利用这个基本原理起飞和改变方向的。

所说的轴向力是惯性力,物体在转动时由于存在角速度则会产生一个向心加速度,一般的物体在做转动时都存在一个瞬时轴,可以把这个物体看作是在绕瞬时轴作定轴转动,从而向心加速度指向瞬时轴。而惯性力的方向正好与向心加速度方向相反,这就是所说的轴向力。

一般惯性力的大小与物体的角速度,质量,形状,以及质心等等都有关系,并不是简单的就可以用一个公式解答的。一般质点在绕定轴旋转时,向心力F=m*w^2*r,m是质点的质量,w是旋转角速度,r是旋转半径。如果是刚体的定轴转动,产生惯性力,这属于静平衡和动平衡。

水泵轴向力是伴随水泵转动时产生的,对于轴向力的产生原因,古往今来有很多学者对此进行了研究,以提高水泵安全可靠运行的能力。研究表明,水泵轴向力的产生原因分为以下几个方面:

(1)水泵叶轮前后液体压力不平衡。当水泵工作起来时,叶轮带动液体转动,在这个过程中,液体经过转动机械的叶轮前后,作用在叶轮吸入口与作用在叶轮背面的液体面积不相等。同时转动机械的叶轮吸入口部位是低压,背部是高压,这样由于叶轮前后的气压不同,会在叶轮的前轮盖和后轮盘之间形成压差,作用于前盖板与后盖板上的液体压力不能互相平衡,产生一个轴向的力。

(2)液体动量的轴向分量发生改变。通过液体从叶轮吸入口处流入,从叶轮出口处流出这个过程,在液体轴向力方向上的动量分量会发生变化,原因是作用在叶轮前后的液体,其速度的大小不仅发生改变,速度的方向也有很大变化。根据动量定理分析得出,液体经过叶轮的过程中,由于液体动量在轴向分量上的改变,在轴向方向产生一个冲力,也称动反力。

(3)不同的泵体,轴向力的产生原因也不同。立式泵内部转子的本身重量,在水泵运行过程中也会成为轴向力的一部分;卧式泵内部的转子重力则不会对水泵产生轴向力。

多年的实践表明,水泵轴向力的平衡问题已成为水泵能否普遍应用的关键所在。无论在水泵的结构设计上,还是实际应用中,必须要尽可能的平衡轴向力,为水泵的可靠运行提供保障。平衡水泵轴向力的装置是根据轴向力的大小进行设计的,大部分的轴向力被平衡装置平衡掉,还有小部分的轴向力由水泵内部的止推轴承等机械装置承受,这样轴向力的作用被消除,就不会对水泵的安全运行产生威胁 [1]

屏蔽泵作为一种无轴封、绝对无泄漏,结构紧凑、体积小、重量轻,无冷却风扇、噪声较低的离心泵,广泛应用于石油化工、航空航天、国防军工、环保等重要领域,用来输送易燃、易爆、易挥发、腐蚀性、剧毒、贵重等介质。但由于其自身的特点,屏蔽泵的轴向力平衡成为影响屏蔽泵使用寿命和效率的关键因素。实践表明,屏蔽泵的失效很多是由于轴向力太大、未能很好平衡造成了石墨轴承损坏。因此,进行屏蔽泵轴向力平衡新方法的研究,尽可能减少或者消除轴向力的破坏显得尤为重要。

通过屏蔽泵轴向力的特点分析,设计了一个副叶轮带动冷却液在冷却回路中循环流动,并产生一个与主叶轮产生的轴向力及转子重力等合力大小相等,方向相反的轴向力,平衡方法具有创新性,设计合理、可行。同时,在不需外加动力情况下,增加的副叶轮带动冷却循环液体工作,达到了很好冷却效果,实现系统节能。运用该方法平衡屏蔽泵轴向力,残余轴向力的计算结果与试验测量结果基本一致,并均小于制造厂的规定值,能基本消除残余的轴向力,使轴承的负荷减小,延长了轴承使用寿命,实现了屏蔽泵的安全可靠运行。该平衡方法可靠,计算过程正确,具有重要的参考与应用价值 [2]

(1)数值模拟可以较为准确地预测深井离心泵的性能及轴向力,在工作流量区间可以提供较为可靠的参考数据,但数值模拟预测值在偏离泵的工作流量区间时误差相对较大。

(2)在进行轴向力测量时,应在试运行一段时间后再将数值归零,从而使所有转子的重量都落在电动机轴上,保证所测数值为叶轮旋转时所受轴向力的大小。

(3)前、后盖板上的轴向力分量是叶轮轴向力的主要组成部分,减小后盖板直径可以有效地平衡部分轴向力。

(4)深井离心泵的轴向力随流量的增加逐渐减小,在实际应用中应尽量避免泵长时间在小流量下运行 [3]


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