注脂量對瓦斯抽采泵軸溫的影響分析

王栓林

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

隨著礦井開采深度的增加，越來越多的礦井轉(zhuǎn)為高瓦斯礦井或者突出礦井，在礦井瓦斯風(fēng)排能力有限的情況下，多數(shù)礦井都逐步建立了井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)或地面固定式瓦斯抽采系統(tǒng)[1-3]，為礦井瓦斯治理提供有力保障，并創(chuàng)造井下安全的微氣候生產(chǎn)環(huán)境。瓦斯抽采泵作為瓦斯抽采系統(tǒng)的動力源，由于水環(huán)式真空泵以水為介質(zhì)，利用離心力作用實現(xiàn)瓦斯氣體的吸入、壓縮和排出，不易產(chǎn)生火花發(fā)生燃爆，因此多數(shù)礦井設(shè)計選擇使用水環(huán)式真空泵作為瓦斯抽采泵[4-6]。

滾動軸承是真空泵重要的機械元件，一臺水環(huán)式真空泵的性能能否充分發(fā)揮出來要取決于軸承的潤滑是否適當(dāng)，可以說潤滑是保證軸承正常運轉(zhuǎn)的必要條件，它對于提高軸承的承載能力和使用壽命起著重要作用。實際生產(chǎn)運行過程中，水環(huán)式真空泵的軸溫隨著運行時間和負(fù)荷的增加而升高。軸承在高溫下使用時，材料組織會發(fā)生變化、硬度降低，材料組織一旦發(fā)生變化，即使溫度恢復(fù)到常溫也不會復(fù)原，而抽采泵軸溫的升高不僅會使軸承本身壽命縮短，導(dǎo)致泵體溫度的大幅升高，較高的泵體溫度還會造成真空泵腔體發(fā)生內(nèi)部銹蝕、結(jié)垢、電化學(xué)腐蝕等問題加劇，嚴(yán)重威脅抽采泵的使用壽命和安全高效運行。

通過對目前煤礦較為常用的水環(huán)式真空泵中圓柱滾子軸承所使用潤滑脂的注脂周期及注脂量進行計算分析，研究水環(huán)式真空泵在運行過程中軸承注脂量與軸溫溫升的關(guān)系，確定該軸承的最佳注脂量，為煤礦瓦斯抽采泵站的安全穩(wěn)定運行和維護提供參考。

1 水環(huán)式真空泵及軸承

1.1 水環(huán)式真空泵工作原理

水環(huán)真空泵主要包括泵體、葉輪、輪轂、吸氣孔、排氣孔及水環(huán)六部分，通過泵體與葉輪之間容積的變化實現(xiàn)吸氣、排氣動作。水環(huán)真空泵工作原理如圖1所示，圖1中葉輪軸心O1與泵體軸心O2保持一定的偏心距，啟動前泵體內(nèi)加入少量水，葉輪旋轉(zhuǎn)時，泵體內(nèi)的少量水在離心力作用下，在泵體內(nèi)形成水環(huán)，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，輪轂、葉片與水環(huán)組成的月牙形空間逐漸變大，通過吸氣口吸氣，后由大變小，通過排氣口排氣，如此往復(fù)，泵體不斷地抽吸氣體[5]。

圖1 水環(huán)真空泵工作原理

1.2 2BEC型水環(huán)式真空泵及軸承

2BEC系列水環(huán)真空泵是用來抽吸空氣或其它無性、不溶于水、不含固體顆粒的氣體，以使被抽的密閉容易形成一定的真空。吸入氣體中允許混有微量的液體，推薦工作區(qū)間-0.04～-0.09MPa。主要應(yīng)用于化工、石化、輕工、制藥、造紙、冶金、建材、洗煤、選礦等行業(yè)，具有高可靠性、維護方便、高效節(jié)能及適應(yīng)沖擊載荷的特點[7]。

水環(huán)式真空泵多采用滾動軸承，滾動軸承是采用滾動摩擦原理工作的支撐件，是機械設(shè)備中最容易損壞的部件之一，有資料表明，轉(zhuǎn)動設(shè)備70%的故障是因滾動軸承失效[8-11]。滾動軸承故障會造成礦井停產(chǎn)停機，造成經(jīng)濟損失，甚至嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

山西呂梁宏巖高瓦斯礦井地面瓦斯抽采泵站采用淄博水環(huán)真空泵廠有限公司生產(chǎn)的2BEC80型水環(huán)式真空泵，其中1、2號高負(fù)壓泵配套YB2型防爆電機，功率900kW，轉(zhuǎn)速為240r/min；3、4號低負(fù)壓泵配套YB2型防爆電機，功率900kW，轉(zhuǎn)速為270r/min。真空泵全部配套雙列圓錐滾子軸承，軸承型號352214，如圖2所示，具體參數(shù)見表1。

d—軸承內(nèi)徑；D—軸承外徑；T—寬度；B—內(nèi)圈寬度；C—外圈寬度；r1—內(nèi)圈大端面倒角高度；r2—內(nèi)圈大端面倒角寬度；r3—外圈大端面倒角高度；r4—外圈大端面倒角寬度圖2 軸承結(jié)構(gòu)(mm)

表1 軸承參數(shù)

1.3 潤滑脂選擇與軸承失效

國內(nèi)機械行業(yè)80%的滾動軸承采用潤滑脂潤滑，潤滑失效是導(dǎo)致軸承故障的重要原因[12]。軸承潤滑脂可以使?jié)L動體表面或滑動表面間形成一層薄薄的油膜，增大接觸面積，減小接觸應(yīng)力，能確保滾動軸承能在高頻接觸應(yīng)力下，長時間地正常運轉(zhuǎn)，延長疲勞壽命；消除摩擦熱，降低軸承工作表面溫度，防止燒傷；起防塵、防銹、防蝕作用，同時減小軸承振動和降低噪音。

滾動軸承潤滑脂選取[13]可以參考表2，彭朝林[14，15]等研究表明：滾動軸承失效產(chǎn)生主要是由于潤滑脂潤滑性能不能滿足實際工況需要，而不是滾動軸承本身制造和加工等方面原因引起的，滾動軸承失效使得潤滑脂中混入磨損顆粒、外部環(huán)境中的泥沙和水分以及滾道表面形貌發(fā)生變化等，影響潤滑脂的潤滑性能和成膜特性，加劇滾動軸承的失效。

表2 滾動軸承潤滑脂的選用

本文中2BEC系列水環(huán)真空泵配套圓錐滾子軸承采用長城二硫化鉬鋰基潤滑脂3號，使用溫度-20～120℃，具體參數(shù)見表3。

表3 長城二硫化鉬鋰基潤滑脂3號參數(shù)

2 注脂量理論計算

注脂量對軸承性能和壽命影響很大[16，17]，注脂過量導(dǎo)致軸承溫升過高，注脂量不足則導(dǎo)致潤滑不良，不合適的注脂量均會降低軸承壽命。

2.1 注脂周期計算

軸承注脂周期計算主要使用經(jīng)驗公式法和圖表法兩種方法確定。軸承工作溫度超過70℃，每升高15℃，注脂周期減半。軸承工作在潮濕、灰塵等惡劣環(huán)境時，注脂周期應(yīng)酌情縮短。

第一種方法：公式法采用下列公式計算：

式中，t為注脂周期，hr；d為軸承內(nèi)徑，mm；n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min；K為軸承系數(shù)，其中球面滾子軸承或圓錐滾子軸承K=1；圓柱滾子軸承或滾針軸承K=5；球軸承K=10。

第二種方法：圖標(biāo)法依據(jù)軸承內(nèi)徑和軸承轉(zhuǎn)速在注脂周期性能曲線(如圖3所示)中讀取。

圖3 注脂周期性能曲線

2BEC80型水環(huán)式真空泵，配套雙列圓錐滾子軸承，泵額定轉(zhuǎn)速240～270r/min，分別用兩種方法進行確定，采用公式計算和圖表法讀取理論注脂周期均為4000h左右。

依據(jù)真空泵廠家說明書[7]，一般情況下，第一次加油在運行1000h后進行，后續(xù)每4000運轉(zhuǎn)小時后加油，注脂周期符合。

2.2 注脂量計算

對普通軸承的注脂量選用依據(jù)轉(zhuǎn)速確定[18]：當(dāng)轉(zhuǎn)速小于極限轉(zhuǎn)速的一半時，填充軸承自由空間的1/2～2/3，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于極限轉(zhuǎn)速的一半時，填充軸承自由空間的1/3～1/2；對于高速軸承，特別是主軸軸承，注脂量為自由空間的20%～30%，當(dāng)軸承外圈固定內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時，在高速條件下軸承只需要填充自由空間的15%。按照上述選用原則確定注脂量，通過經(jīng)驗公式確定軸承自由空間[19-20]：

式中，V為軸承自由空間體積，cm3；D為軸承外徑，mm；d為軸承內(nèi)徑，mm；B為軸承寬度，mm；G為軸承重量，kg。

將表1中2BEC80型水環(huán)式真空泵軸承參數(shù)代入式(2)計算出軸承自由空間體積V為575.27cm3。

根據(jù)普通低速軸承一般為滾動軸承，高速軸承一般用滑動軸承，結(jié)合軸承線速度超過1.0×106mm·r/min的滾動軸承稱為高速軸承的標(biāo)準(zhǔn)來判斷，該礦2BEC80型水環(huán)式真空泵軸承選用的雙列圓錐滾子軸承為普通低速軸承，通常運行轉(zhuǎn)速小于極限轉(zhuǎn)速的一半時，注脂量填充軸承自由空間V的1/2～2/3，即為287.64～383.51cm3；運行轉(zhuǎn)速大于極限轉(zhuǎn)速的一半時，注脂量填充軸承自由空間V的1/3～1/2，即為191.76～287.64cm3。

3 注脂量試驗分析

3.1 試驗方法

通過經(jīng)驗公式或者理論計算確定軸承注脂周期和注脂量可以作為參考，但由于受各種因素影響，實際運行當(dāng)中往往有偏差，通過試驗研究軸承在相同運轉(zhuǎn)條件下使用長城二硫化鉬鋰基潤滑脂3號在不同的注脂比例時溫升與注脂量的關(guān)系來確定注脂比例，以合理選擇注脂量。

分別選擇呂梁宏巖高瓦斯礦井地面高、低負(fù)壓瓦斯抽采泵站采用淄博水環(huán)真空泵廠的2號泵作為試驗對象，采用HM-600型手動黃油槍分別對每臺泵的前后軸進行注脂，分別注入油槍容積600cm3的1/4、1/3、1/2鋰基脂，即注脂量分別為150cm3、200cm3、300cm3，每小時讀取一次數(shù)據(jù)，連續(xù)運行240h監(jiān)測其軸承的溫升情況。

3.2 注脂量與溫升相關(guān)性分析

將不同體積的鋰基脂分別裝入軸承后，連續(xù)運行240h進行溫升觀測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同注脂量軸承的溫升曲線

由圖4可知，當(dāng)3號鋰基脂的注脂比例為油槍的1/4，即注脂量為150cm3時，軸承溫升為38～50℃，運行177h后溫升增加到45℃左右，最高達(dá)51.6℃；注脂比例為油槍的1/3，即注脂量為200cm3時，軸承溫升為36～38℃，較為穩(wěn)定；注脂比例為油槍的1/2，即注脂量為300cm3時，軸承溫升較快，溫升較短時間就達(dá)到60℃左右。

通過上述運行試驗可知，從軸承溫升方面看，注脂量為HM-600型油槍體積的1/4時，鋰基脂不足造成軸承內(nèi)部無法形成潤滑油膜，接觸區(qū)潤滑不足會造成溫升增大；注脂量為1/2時，過量鋰基脂由于高速攪拌力矩增大，軸承溫升增大；注脂量為1/3注油槍體積，即200cm3左右時，軸承運行溫升平穩(wěn)，較為合適。結(jié)合注脂量理論計算結(jié)果，最終確定該礦井使用的2BEC80型水環(huán)式真空泵軸承的注脂量在200cm3左右。

4 結(jié)論及建議

1)注脂量的理論計算與現(xiàn)場試驗結(jié)合可知：常用水環(huán)式瓦斯抽采泵注脂量為填充軸承自由空間的1/3～1/2。確定試驗礦井所使用的2BEC80型水環(huán)式真空泵軸承的最佳注脂量為200cm3左右。

2)對于煤礦新安裝的瓦斯抽采泵，除參考設(shè)備說明書之外，可以采用公式法和圖標(biāo)法確定理論注脂周期，采用公式法計算理論注脂量，并在實際泵站運行維護當(dāng)中通過觀測繪制溫升曲線來對最佳注脂量進行修正。