齒輪泵主軸承優(yōu)化研究

劉家訟　些寧　張鵬

摘要：某大型石油樹(shù)脂三氯化鋁反應(yīng)器循環(huán)泵為內(nèi)嚙齒輪泵。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該泵經(jīng)常出現(xiàn)的故障主要有機(jī)泵主軸承磨損、主軸跳動(dòng)大、運(yùn)行過(guò)程中噪音過(guò)大以及偶爾發(fā)生機(jī)泵跳停情況等，給機(jī)泵的使用周期和聚合裝置的正常生產(chǎn)造成了一定影響。本論述通過(guò)對(duì)此類故障問(wèn)題的分析，分析統(tǒng)計(jì)了因主軸承故障影響設(shè)備周期運(yùn)行的各種因素，進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化主軸承等關(guān)鍵部件，解決了機(jī)泵出現(xiàn)故障的問(wèn)題，避免了機(jī)泵運(yùn)行周期過(guò)短情況，大大提高了設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。

關(guān)鍵詞：主軸承;磨蝕;潤(rùn)滑;運(yùn)行周期

中圖分類號(hào)：TH38文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

內(nèi)嚙齒輪泵是石化企業(yè)常用的設(shè)備之一，本論述描述的某大型石油樹(shù)脂三氯化鋁反應(yīng)器循環(huán)泵為內(nèi)嚙齒輪泵。設(shè)備型號(hào)：LL244，流量：60 m3/h，操作溫度：135℃，出口壓力：0.7 MPa，輸送介質(zhì)：含三氯化鋁的聚合樹(shù)脂，生產(chǎn)廠家：VIKING 公司。該設(shè)備運(yùn)行狀況基本穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)該設(shè)備的運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該泵經(jīng)常出現(xiàn)的故障主要有機(jī)泵主軸承磨損、主軸跳動(dòng)大、運(yùn)行過(guò)程中噪音過(guò)大以及偶爾發(fā)生機(jī)泵跳停情況，以上問(wèn)題已經(jīng)給機(jī)泵的使用周期和聚合裝置的正常生產(chǎn)造成了一定影響。通過(guò)對(duì)此類故障問(wèn)題的分析，解決因主軸承故障影響設(shè)備周期運(yùn)行的各種因素，如分別在惰輪軸、主軸承增加介質(zhì)自潤(rùn)滑槽和增加螺旋潤(rùn)滑油槽、或通過(guò)調(diào)整主軸承與惰輪軸間的間隙、對(duì)主軸承材質(zhì)升級(jí)，通過(guò)對(duì)主軸承和惰輪軸等關(guān)鍵部件的優(yōu)化，使機(jī)泵故障得到解決，大大提高了設(shè)備的運(yùn)行周期。

1 生產(chǎn)原理概述

1.1 反應(yīng)原理概述

芳烴在特殊酸（無(wú)水氯化鋁、氯化鋅、三氯化鐵、三氟化硼等）存在下發(fā)生的?；蜔N化反應(yīng)。由熱聚單元來(lái)的合格類 DCPD 組分產(chǎn)品，在反應(yīng)催化劑無(wú)水三氯化鋁的作用下，在三氯化鋁反應(yīng)器反應(yīng)聚合生成 C5粗石油樹(shù)脂。

單體在陽(yáng)離子作用下，活化為帶正電荷的活性離子，再與單體連鎖聚合形成高聚物的化學(xué)反應(yīng)，稱為陽(yáng)離子型聚合反應(yīng)。

聚合反應(yīng)機(jī)理如下：

引發(fā)：A+M —M+ + A-

A：催化劑

M：烯烴單體

M+：帶正電荷的烯烴單體

A -：帶負(fù)電荷的催化劑

鏈增長(zhǎng)：MX ++ M —MX+1+ MX +，MX +1+：中間聚合物

鏈終止：MX+1+ + A-—MX+1+A，MX+1：粗樹(shù)脂1.2 生產(chǎn)過(guò)程概述

貯存于常壓儲(chǔ)罐內(nèi)的合格類 DCPD 組分，由 DCPD 儲(chǔ)罐泵送出，經(jīng)進(jìn)料預(yù)干燥過(guò)濾器過(guò)濾雜質(zhì)后進(jìn)入進(jìn)料干燥床。DCPD 組分通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥控制流量進(jìn)入三氯化鋁反應(yīng)器聚合成粗樹(shù)脂液，粗樹(shù)脂液經(jīng)齒輪泵送至三氯化鋁反應(yīng)器循環(huán)冷卻/加熱器，物料經(jīng)過(guò)換熱后返回三氯化鋁反應(yīng)器形成循環(huán)回路。催化劑緩沖罐中的三氯化鋁催化劑與樹(shù)脂油干燥床出口的樹(shù)脂油在自動(dòng)加料系統(tǒng)的控制下，經(jīng)充分混合后加注到三氯化鋁反應(yīng)器循環(huán)管線上。三氯化鋁反應(yīng)器的粗樹(shù)脂液通過(guò)上部溢流口流入后端反應(yīng)器進(jìn)一步聚合。

1.3 設(shè)備概述

內(nèi)嚙齒輪泵結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪、月型板、泵殼等主要部件組成，其工作原理是，介質(zhì)通過(guò)入口進(jìn)、出口排出，其中入口與出口呈90°直角。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，被動(dòng)齒輪和驅(qū)動(dòng)齒輪沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，通過(guò)不斷的齒輪與嚙合齒輪的脫離過(guò)程，將介質(zhì)帶入左側(cè)的吸液腔，形成密閉的局部真空。隨著介質(zhì)不斷的進(jìn)入，吸液腔容積增大，內(nèi)腔壓力也越來(lái)越大，在壓差的作用下，將物料不斷吸入。隨著液體介質(zhì)在齒輪和泵殼間不斷的通過(guò)齒輪的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)前進(jìn)，最終介質(zhì)被推送至泵體上側(cè)的排液腔。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，齒輪和嚙合齒輪逐漸嚙合，排液腔的容積不斷減小，內(nèi)部壓力隨著逐漸增大，在壓差的作用下，齒輪間的物料被送出。

1.4 故障概述

三氯化鋁反應(yīng)器循環(huán)泵輸送介質(zhì)為熱聚反應(yīng)物，其中包含三氯化鋁、樹(shù)脂油，粘度在87厘泊（cP） ，由于三氯化鋁不能被樹(shù)脂油充分稀釋混合，所以物料含有三氯化鋁顆粒。且三氯化鋁顆粒耐磨性極強(qiáng)，對(duì)齒輪泵主軸承內(nèi)外表面損傷極大，造成齒輪泵不能長(zhǎng)周期運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，該泵經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)泵主軸承磨損、主軸跳動(dòng)大、機(jī)械噪音超標(biāo)或機(jī)泵跳停的狀況，已經(jīng)給機(jī)泵的使用周期和聚合裝置的正常生產(chǎn)造成了一定影響。

2 故障原因分析

2.1 故障原因統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)該內(nèi)嚙齒輪泵運(yùn)行狀況和檢維修狀況的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，造成設(shè)備不能保證長(zhǎng)周期運(yùn)行的主要原因，絕大部分的故障是由于主軸承損傷造成。以 2018年為例，嚙齒輪泵全年檢修共計(jì)16次，其中減速機(jī)故障1 次，惰輪軸和被動(dòng)齒輪軸間的主軸承故障8 次，機(jī)泵電機(jī)間聯(lián)軸器故障2 次，減速器間聯(lián)軸器故障3 次，彈性塊故障 2次，通過(guò)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2018年主軸故障所占全年故障比例高達(dá)68%，其他設(shè)備故障均在合理范圍內(nèi)。而某些故障，如彈性塊故障中的絕大部分也是由于主軸承故障導(dǎo)致主軸跳動(dòng)超標(biāo)引起的。因此，主軸故障是影響設(shè)備運(yùn)行的一個(gè)重要的亟需解決的問(wèn)題。

2.2 齒輪泵主軸承故障原因分析

通過(guò)對(duì)內(nèi)嚙齒輪泵在運(yùn)行過(guò)程中的故障分析，可以看出主軸承故障的比例是所有設(shè)備部件故障中最高的，因此如果想解決內(nèi)嚙齒輪泵不能長(zhǎng)周期運(yùn)行的問(wèn)題，首先要解決主軸承故障問(wèn)題。被動(dòng)齒輪與惰輪軸間的主軸承結(jié)構(gòu)關(guān)系是惰輪軸為固定軸，在正常運(yùn)行過(guò)程中，主軸承與被動(dòng)齒輪是同步圍繞惰輪軸旋轉(zhuǎn)的。通過(guò)多次設(shè)備檢修打開(kāi)的情況來(lái)看，主要出現(xiàn)如下幾種情況：（1） 主軸承經(jīng)常出現(xiàn)與被動(dòng)齒輪脫落的情況;（2）主軸承的內(nèi)外側(cè)均有很嚴(yán)重的磨損和腐蝕痕跡。磨蝕達(dá)到一定嚴(yán)重程度時(shí)，主軸承會(huì)從均勻磨蝕轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械部件的摩擦，主軸承會(huì)產(chǎn)生裂縫甚至出現(xiàn)斷裂情況。

2.2.1造成主軸承內(nèi)側(cè)有嚴(yán)重磨蝕的原因分析

三氯化鋁反應(yīng)器循環(huán)泵輸送介質(zhì)為熱聚反應(yīng)物，其中包含三氯化鋁、樹(shù)脂油，粘度在87厘泊（cP） ，由于三氯化鋁不能被樹(shù)脂油充分稀釋混合，產(chǎn)生了局部的三氯化鋁結(jié)塊，且顆粒狀三氯化鋁有極強(qiáng)的耐磨性。又由于惰輪軸外徑為φ64 mm，主軸承內(nèi)徑為φ64.1 mm，配合間隙為0.1 mm，惰輪軸與主軸承的潤(rùn)滑為介質(zhì)自潤(rùn)滑。因此，間隙過(guò)小，在介質(zhì)自潤(rùn)滑過(guò)程中三氯化鋁顆粒主軸承內(nèi)側(cè)摩擦運(yùn)動(dòng)，對(duì)主軸承內(nèi)側(cè)造成了磨蝕。 2.2.2造成主軸承外側(cè)有嚴(yán)重磨蝕的原因分析

由于在裝配形式上，主軸承與被動(dòng)齒輪之間存在一定裝配尺寸（主軸承外徑為φ75.25 mm，被動(dòng)齒輪內(nèi)徑φ75.3 mm，配合間隙為0.05 mm），當(dāng)主軸承在運(yùn)行過(guò)程中，介質(zhì)自潤(rùn)滑效果不好時(shí)，此時(shí)由于運(yùn)動(dòng)的阻力隨著時(shí)間不斷增大，當(dāng)阻力達(dá)到一定程度時(shí)，主軸承會(huì)脫離被動(dòng)齒輪，并與被動(dòng)齒輪作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，造成了對(duì)主軸承外側(cè)的磨蝕。

3 解決方案及措施

為了解決主軸承磨損腐蝕問(wèn)題，從提高潤(rùn)滑性、增加抗磨蝕性方向入手，提出了6 個(gè)解決方案及措施：

（1） 提高惰輪軸的潤(rùn)滑性，在惰輪軸增加介質(zhì)自潤(rùn)滑槽。利用設(shè)備結(jié)構(gòu)將介質(zhì)自潤(rùn)滑提高潤(rùn)滑壓力，增加潤(rùn)滑流量。這是因?yàn)楸玫某隹诩芭乓呵粸楦邏簠^(qū)，泵的入口及吸入室為低壓區(qū)。因此，從月型板中心線到惰輪軸中心加工一條φ8mm 的介質(zhì)自潤(rùn)滑出口線，從排液腔到惰輪軸中心加工一條φ10 mm 的介質(zhì)自潤(rùn)滑進(jìn)口線，并在增加進(jìn)口線和出口線的同時(shí)，在惰輪軸介質(zhì)自潤(rùn)滑出口處，增加一條長(zhǎng)65 mm、寬10 mm 的介質(zhì)自潤(rùn)滑槽，惰輪軸和主軸承改造圖如圖1 所示。

（2） 通過(guò)主軸承結(jié)構(gòu)的改變將三氯化鋁固體小顆粒誘導(dǎo)出軸承與惰輪軸工作接觸面，在主軸承增加螺旋潤(rùn)滑油槽?？紤]在主軸承加工一條寬1.5 mm，深0.5 mm 的螺旋潤(rùn)滑油槽。這樣在主軸承運(yùn)行過(guò)程中，物料在潤(rùn)滑主軸承的同時(shí)，能夠保證將三氯化鋁固體小顆粒通過(guò)螺旋潤(rùn)滑油槽誘導(dǎo)出去，能最大程度上保證主軸承與惰輪軸的工作接觸面上沒(méi)有過(guò)多的三氯化鋁固體小顆粒。

（3）由于惰輪軸外徑為φ64 mm ，主軸承內(nèi)徑為φ64.1 mm，配合間隙為0.1 mm，惰輪軸與主軸承間的間隙過(guò)小，在介質(zhì)自潤(rùn)滑過(guò)程中三氯化鋁固體小顆粒對(duì)主軸承內(nèi)側(cè)造成了磨蝕，所以適當(dāng)增加間隙，可以減小對(duì)主軸承內(nèi)側(cè)的磨損。將間隙從0.4 mm 按照0.05 mm 的放大量逐級(jí)進(jìn)行放大，直至0.6 mm 。間隙與運(yùn)行周期關(guān)系見(jiàn)表1 所列，記錄了不同間隙配合下，內(nèi)嚙齒輪泵的穩(wěn)定運(yùn)行周期。由此可見(jiàn)，當(dāng)惰輪軸與主軸承間的間隙為0.5 mm 時(shí)，齒輪泵的穩(wěn)定運(yùn)行周期是最長(zhǎng)的，效果最好。因此，應(yīng)將主軸承外徑加工至φ75.31 mm，配合間隙調(diào)整為0.01 mm，裝配工藝采用熱裝配。這樣就保證了主軸承與被動(dòng)齒輪不作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，避免了三氯化鋁固體小顆粒進(jìn)入惰輪軸與主軸承間，大大減少了在介質(zhì)自潤(rùn)滑過(guò)程中三氯化鋁固體小顆粒對(duì)主軸承內(nèi)側(cè)造成的磨蝕磨損。

（4） 適當(dāng)改變主軸承材質(zhì)，不同材質(zhì)的抗磨蝕性是不同的，通過(guò)對(duì)改變材質(zhì)后的監(jiān)測(cè)結(jié)果比較，可以選出最優(yōu)材質(zhì)。材質(zhì)與運(yùn)行周期關(guān)系見(jiàn)表2 所列，分別采用了石墨、紫銅、黃銅三種材料作為主軸材質(zhì)，進(jìn)行性能比較。在同樣按照（1） （2） （3）方法改造惰輪軸和主軸承的情況下：石墨材質(zhì)主軸承能使用23 d，紫銅材質(zhì)主軸承能使用62 d，黃銅材質(zhì)主軸承能使用151 d，由此可見(jiàn)，黃銅作為主軸承材質(zhì)較為合適。

（5）三氯化鋁反應(yīng)器將原有開(kāi)放式投料改為密閉系統(tǒng)自動(dòng)加入，能保證三氯化鋁在加入過(guò)程中不會(huì)與大氣中的水分反應(yīng)，避免活性降低的三氯化鋁形成結(jié)塊，這樣反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)會(huì)更加均勻，避免局部大量三氯化鋁固體小顆粒對(duì)齒輪泵惰輪軸和主軸承造成沖擊，這樣有益于齒輪泵長(zhǎng)周期運(yùn)行。

（6）在攪拌器電機(jī)有富余能力的情況下，調(diào)整三氯化鋁反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速，將原有70 r/min 提高至90 r/min，也能使三氯化鋁與樹(shù)脂油充分稀釋混合，反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)也會(huì)更加均勻，避免三氯化鋁顆粒結(jié)塊，也能避免三氯化鋁與樹(shù)脂油未攪拌均勻，局部的三氯化鋁固體小顆粒對(duì)齒輪泵的惰輪軸和主軸承造成沖擊，從而保障齒輪泵長(zhǎng)周期運(yùn)行。

4 整改措施后取得的效果

通過(guò)采取以上措施，提高了三氯化鋁反應(yīng)器循環(huán)泵惰輪軸與主軸承的潤(rùn)滑性，增加主軸承抗磨蝕性，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)的設(shè)備，解決了內(nèi)嚙齒輪泵在運(yùn)行過(guò)程中的主軸故障頻發(fā)問(wèn)題。經(jīng)監(jiān)測(cè)，優(yōu)化后的設(shè)備能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5 個(gè)月以上，這樣就大大減少了檢修頻率，保證了生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定，同時(shí)節(jié)省了檢修人力和費(fèi)用，達(dá)到了提高三氯化鋁反應(yīng)器循環(huán)泵運(yùn)行周期的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張勝國(guó)，韓君炎，張紹英.熔體齒輪泵軸承故障分析及延長(zhǎng)軸承壽命措施[J].合成技術(shù)及應(yīng)用，2021（1）：56-62.

[2] 梁利君.石油化工設(shè)備基礎(chǔ)操作與維護(hù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2020：146-148.

[3] 付鎮(zhèn).齒輪泵常見(jiàn)故障及處理措施[J]. 中國(guó)修船，2014，27（2）：21-23.

[4] 邵偉.高粘度齒輪泵故障與解決措施分析[J]. 中國(guó)設(shè)備工程，2021（14）：30-32.

[5] 米曉萍，李雪梅.基于正態(tài)云神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的齒輪泵的故障診斷研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013（8）：266-267，281.

[6] 黃勇，張征凱，曾憲淑，等.基于深度學(xué)習(xí)的齒輪泵故障診斷方法研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2019（10）：111-114，119.