3CIMX4型透平機(jī)組主油泵故障分析及優(yōu)化改造

談世龍，蔣月勝

（馬鋼股份有限公司能源總廠,安徽馬鞍山 243000）

1 概要

馬鋼第一能源總廠第十二空壓站，2003年隨2#高爐系統(tǒng)建設(shè)，配套安裝一臺3CIMX4型美國產(chǎn)四級透平式壓縮機(jī)，專供高爐系統(tǒng)噴煤壓縮空氣，正常要求壓力在1.15 MPa左右。由于是單臺機(jī)組專供高爐生產(chǎn)噴煤用高壓氣體，一旦設(shè)備及其輔助系統(tǒng)發(fā)生故障，只得臨時(shí) 轉(zhuǎn)供中壓氮?dú)?，否則，將直接影響高爐系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，因此，必須保障透平機(jī)組及其配套輔機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3CIMX4型四級透平壓縮機(jī)，配備1臺2250HP主電機(jī)，通過聯(lián)軸器驅(qū)動透平壓縮機(jī)增速大齒輪，將動能傳遞給圍繞大齒輪周邊星狀分布的4個(gè)小齒輪軸，帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速在17226~30707 r/min之間）以壓縮空氣。中心大齒輪軸端，以梅花形彈性聯(lián)軸器帶動1臺齒輪主油泵（見圖1）。

圖1 原結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)備開機(jī)前與停機(jī)后，以1臺電動輔助油泵，給各級軸瓦與嚙合齒輪強(qiáng)制供油，進(jìn)行潤滑冷卻。當(dāng)透平機(jī)組啟動正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，通過壓力節(jié)點(diǎn)控制，主輔油泵之間由程序進(jìn)行自動切換，由主油泵給系統(tǒng)供油，正常運(yùn)行油壓調(diào)試在0.2 MPa左右，以滿足設(shè)備的潤滑需求。

2 主油泵故障及原因分析

由于設(shè)備運(yùn)行年久，主油泵及梅花形彈性聯(lián)軸器等歷經(jīng)多次修復(fù)使用，2012年該臺機(jī)組主油泵故障頻發(fā)，供油壓力性能明顯下降，因此，我們與原設(shè)備廠家聯(lián)系，訂購1臺新齒輪油泵與聯(lián)軸器等配套備件。2013年4月我們利用設(shè)備大修的機(jī)會，對主油泵及配套聯(lián)軸器等附件一次性進(jìn)行更換，設(shè)備檢修完畢投入正常運(yùn)行，供油壓力在0.2 MPa左右，能夠滿足生產(chǎn)要求。時(shí)至7月份該臺透平機(jī)組，運(yùn)行中，因油壓低保護(hù)跳機(jī)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主油泵聯(lián)軸器損壞。對主油泵解體檢查，發(fā)現(xiàn)油泵齒面磨損、齒輪端面與殼體端面磨痕嚴(yán)重，已無法修復(fù)使用。

我們對這起事故原因進(jìn)行認(rèn)真的分析，3CIMX4型四級透平壓縮機(jī)主油泵安裝是以一框架與主機(jī)殼體相固定，由于安裝空間狹小受限，半聯(lián)軸器對中，無法調(diào)整，日常檢修拆裝也非常困難。同時(shí)，該主油泵安裝在齒輪箱與壓縮機(jī)冷卻器之間的狹小空間里，夏季正常工作環(huán)境溫度較高，散熱性能較差。我們在對損壞油泵解體檢查檢修過程中發(fā)現(xiàn)，新?lián)Q的梅花形彈性聯(lián)軸器間的配套緩沖塊已全部成粉末狀，散落于周邊，鑄鐵材質(zhì)的聯(lián)軸器爪磨損、斷裂等。根據(jù)現(xiàn)場情況，我們分析這起事故的主要原因?yàn)椋?/p>

2.1 主油泵聯(lián)軸器配套件的材質(zhì)有問題

主油泵運(yùn)行中出現(xiàn)聯(lián)軸器損壞、齒輪油泵磨損，主要原因?yàn)樵瓘S家聯(lián)軸器及配套緩沖塊使用材質(zhì)不對引起，造成備件損壞所致。我們在更換新備件前例檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器緩沖塊為8瓣梅花型橡膠件。緩沖塊性能要求既要有一定的韌性，同時(shí)要有一定的硬度和耐磨性，因此，一般選用聚氨酯。另3CIMX4型四級透平壓縮機(jī)主油泵安裝在機(jī)腹內(nèi)，散熱性差，因此，備件必須有一定的耐熱性能，而橡膠僅具備有韌性，缺少其他性能。我們當(dāng)即與設(shè)備廠家技術(shù)人員進(jìn)行溝通，指出備件存在的缺陷，廠家堅(jiān)持認(rèn)為該備件為美國進(jìn)口原件，質(zhì)量可靠，使用沒有問題。經(jīng)事后運(yùn)行出現(xiàn)的結(jié)果分析來看，造成此次事故的直接原因是橡膠件緩沖塊缺少一定的硬度、耐磨與耐高溫性能，運(yùn)行過程中，被直接被研成粉末，主機(jī)軸向竄動，得不到聯(lián)軸器緩沖塊的緩沖降低，造成齒輪油泵損壞；鑄鐵聯(lián)軸器在設(shè)備啟停與運(yùn)行過程產(chǎn)生交變沖擊，磨損加劇而斷裂，失去性能，最終造成主機(jī)設(shè)備油壓低跳機(jī)。

2.2 主油泵檢修時(shí)安裝不便

機(jī)組油泵安裝定位用一框架與設(shè)備殼體連接，油泵聯(lián)軸器安裝中心偏差，由于空間受限，人工無法調(diào)整，多次檢修拆裝，安裝定位精度已難以保證。

3 優(yōu)化改造方案與措施

鑒于3CIMX4型四級透平壓縮機(jī)為美國產(chǎn)品，損壞油泵備件一時(shí)難以修復(fù)，配套主油泵等附件訂購周期在3個(gè)月左右，訂貨周期較長，如按照正常程序處理本次設(shè)備事故，將嚴(yán)重影響高爐的正常生產(chǎn)。若將高爐噴煤壓縮空氣長期改為中壓氮?dú)饩S持生產(chǎn)，等待訂購備件，生產(chǎn)成本必然會有所增加；同時(shí)，即使訂購原件恢復(fù)性安裝，同樣存在安裝、調(diào)整困難等上述所分析的問題。因此，我們針對這種情況，對機(jī)組設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了認(rèn)真分析，與設(shè)備廠家專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行溝通交流，同時(shí)加強(qiáng)本行業(yè)同類產(chǎn)品設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化與發(fā)展方向的調(diào)研，對在機(jī)旁單獨(dú)設(shè)立外置式主油泵和利用主電機(jī)軸端延長增設(shè)主油泵等方案優(yōu)缺點(diǎn)比較，最終確定利用電機(jī)主軸末端，將電機(jī)主軸向外延伸，計(jì)劃在電機(jī)末端外安裝一臺主油泵的改造方案。

我們對改造方案進(jìn)行深入研究，根據(jù)此方案組織實(shí)施，必須解決：（1）新延伸短軸用什么方式與電機(jī)主軸連接，解決同軸度問題；（2）新延伸短軸通過聯(lián)軸器帶動油泵所承載負(fù)荷，連接件必須滿足承載負(fù)荷的強(qiáng)度要求；（3）主油泵改造，必須保證與原設(shè)備開停機(jī)、設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的原控制程序相一致，盡可能不需修改設(shè)備的控制程序；（4）選擇一臺性能匹配的油泵；（5）如何克服主電機(jī)檢修時(shí)自由狀態(tài)下試機(jī)找磁力線中心時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子存在17 mm軸向竄動量的影響，以及由油泵改造安裝位置的改變而牽涉到供回油路的改進(jìn)完善等問題。

為此，我們對短軸相套卡箍、法蘭式等幾種可能的連接方式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較，組織現(xiàn)場測繪電機(jī)主軸端面外緣直徑為￠125 mm,對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行抽芯（測量電機(jī)軸總長4500 mm，轉(zhuǎn)子最大回轉(zhuǎn)直徑￠590 mm），選擇相應(yīng)機(jī)床進(jìn)行加工。重新設(shè)計(jì)加工帶動油泵的法蘭短軸（見圖2），用簡潔的法蘭螺栓結(jié)構(gòu)形式與電機(jī)主軸連接。在主電機(jī)軸端直徑為￠95 mm圓上，與短軸法蘭分度配鉆加工6只M12連接螺栓，選用10.9級高強(qiáng)度螺栓，將短軸與電機(jī)軸合為一體，以原電機(jī)軸軸承檔位支撐為基準(zhǔn)，在機(jī)床上進(jìn)行整體找正加工，從而保證了延伸加長的法蘭短軸與主電機(jī)軸的同軸度要求。為解決克服主電機(jī)檢修時(shí)自由狀態(tài)下試機(jī)找磁力線中心時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子存在17 mm軸向竄動量問題，我們在對電機(jī)末端透蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，定位透蓋與法蘭短軸￠65 mm軸徑配合，前后具有20 mm可軸向移動空間（見圖3）。

圖2 新加工的法蘭短軸

選用1臺螺桿泵替代原齒輪泵，銘牌參數(shù)為Q=330 L/m、油泵扭矩為：24 N.m，因此，我們對連接螺栓強(qiáng)度必須進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證計(jì)算。

油泵Qn=24 N.m的負(fù)荷扭矩，被6只分布在￠95mm直徑上的M12連接螺栓為配鉆加工，較為緊固，故我們可以不考慮摩擦受力因素，僅考慮承受扭矩作用，進(jìn)行剪切強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算如下：

圖3 法蘭短軸與電機(jī)的聯(lián)接

要求τ≤【τ】 τ：螺栓實(shí)際承載的剪切強(qiáng)度，【τ】：螺栓材質(zhì)允許剪切強(qiáng)度；查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表得，M12*1.75 螺栓 d1=10.106 mm、d2=10.863 mm；其中d1為螺栓小徑、d2為螺栓中徑。

S=π×d12/4→S=80.173 mm2（S螺栓小徑斷面面積）

R=47.5 mm；（R安裝螺栓分度圓半徑）每只螺栓受力F為：

F=84.2 N（F為因扭矩負(fù)荷每只連接螺栓所受的剪切力）

又【τ】=σs/n (σs：為材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度、n：為安全系數(shù) )

查表得 10.9 級螺栓的 σs：900 MPa，n:取值范圍在3.5~5之間，取n=5；

故滿足τ≤【τ】的要求。

我們選用瓦殼式新型聯(lián)軸器，利用其具備一定軸向補(bǔ)償性能，調(diào)整油泵軸與電機(jī)法蘭短軸端的安裝間隙，解決了設(shè)備電機(jī)檢修試機(jī)磁力線自動找中的軸向竄動問題。以原設(shè)備鋼支架基座為基礎(chǔ)，焊接鋼構(gòu)架為改造后的主油泵的支撐平臺，同時(shí)，將油管路作相應(yīng)配管優(yōu)化改造，至此，改造工作全部結(jié)束，既保證了設(shè)備所需的所有匹配性能，同時(shí)滿足透平壓縮機(jī)主機(jī)程序控制要求，一次性試驗(yàn)成功，見圖4所示。

圖4 改造后結(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)施效果

通過本次改造，在較短時(shí)間內(nèi)解決了長期以來困擾我們因主油泵故障影響設(shè)備長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行問題，同時(shí)也徹底解決了原主油泵檢修過程中拆裝困難、中心無法調(diào)整、工作環(huán)境通風(fēng)散熱性差等問題，實(shí)現(xiàn)了新油泵機(jī)組，便于運(yùn)行點(diǎn)檢維護(hù)，油泵檢修安裝與電機(jī)主軸對中調(diào)整等問題得到了徹底解決。設(shè)備自改造投運(yùn)以來，主油泵運(yùn)行穩(wěn)定，油壓具有較大的調(diào)整空間，各項(xiàng)性能指數(shù)都較好地滿足透平機(jī)組的運(yùn)行要求，實(shí)踐證明，改造較為成功。

[1]西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編，機(jī)械零件[M].北京:高等教育出版社1982.