大型水泵軸瓦摩擦失效原因分析與技術(shù)改造

陳天雄

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

引言

本文所介紹的調(diào)水輸水工程全線干、支、斗渠1391條2422 km，且本次所介紹的泵站為該輸水線路中的二期一泵站，設(shè)計流量為28.6 m3/s，加大流量33 m3/s，裝機容量為5520 kW。該泵站每年運行時間為10個月，年調(diào)水量為3.6億m3，對于該區(qū)域的水資源調(diào)用與供應(yīng)具有著十分重要的意義。但是在2019年8月份，泵站的3號主機組水泵運行時間不到2000 h就出現(xiàn)了水導(dǎo)軸瓦和軸套之間摩擦損壞事件，不僅影響了整個設(shè)備的可靠運行，同時也影響了整個泵站的順利運行。由此需要對該故障進(jìn)行深入分析之后，找到產(chǎn)生故障的原因，保證機組與泵站的安全、長期運行。

1 泵站設(shè)備概況

該泵站共設(shè)置11臺單級雙吸臥式離心泵，1、6兩套調(diào)整裝置，單機設(shè)計流量3.44 m3/s，水泵采用HS1200-1000-1000A型單級雙吸臥式離心泵，并配有YL560—12型異步電動機，電機額定輸出功率1600 kW，泵軸長度4.3 m，軸直徑160 m，在離耦合器3.6 m的地方設(shè)置了一個液壓軸承套。

2 故障現(xiàn)象探究

采用安徽三聯(lián)泵廠生產(chǎn)的HS1200-1000-1000A系列單段雙吸式水平離心泵，該離心泵的設(shè)計設(shè)計流量為12391 m3/h，揚程62 m，旋轉(zhuǎn)速度730 r/min，葉片的外徑0.992 m，質(zhì)量8600 kg，輸出寬0.174 m，輸出壓力0.6 MPa。南陽防爆機械設(shè)備制造的循環(huán)泵馬達(dá)。整體的流動布局是：進(jìn)水管、擴張節(jié)、大小頭、循環(huán)水泵、出口大小頭、膨脹節(jié)和多功能斜板閥門等，見圖1。

圖1 循環(huán)水泵整體布置圖

根據(jù)機泵的調(diào)試和調(diào)試的需要，本系統(tǒng)需要電動機進(jìn)行單次試驗2 h，并與泵進(jìn)行4 h的聯(lián)試。在電動機的單次試驗中沒有出現(xiàn)任何的故障。在兩次聯(lián)合試驗中，在起動后，出現(xiàn)了水泵本體和電動機的位移，電動機的傳動端燒瓦，軸承箱內(nèi)的機油變色，軸承箱內(nèi)的高溫達(dá)到100℃。安裝在泵體內(nèi)的百分?jǐn)?shù)計表明，在這兩個實驗中，整個泵身都向進(jìn)口方向偏斜，各位移1.7 mm和0.11 mm。

3 故障產(chǎn)生原因計算分析

3.1 故障原因原理分析

在對該循環(huán)水泵進(jìn)行聯(lián)機試驗之后，共發(fā)生過燒瓦事故多達(dá)8次。在此過程中，通過更換潤滑油，加固泵體，對電機基礎(chǔ)進(jìn)行二次注漿，但其收效并不令人滿意[1]。對以往電動機軸承軸承的高溫磨耗進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在循環(huán)泵起動載荷的過程中，軸承軸承的溫度會隨著負(fù)載的下降而下降，軸承的磨損也會得到改善。從循環(huán)泵軸的結(jié)構(gòu)特征可以看出，在電動機的轉(zhuǎn)子發(fā)生大直徑的徑向竄動時，電動機的軸肩和軸套的推進(jìn)器產(chǎn)生了摩擦，從而使軸承的溫度上升。

針對循環(huán)泵的應(yīng)力問題，從根本上解決了燒瓦問題，并找到造成抽油機偏轉(zhuǎn)的真實原因。循環(huán)泵在負(fù)載作用下，其內(nèi)部壓力達(dá)到0.6 MPa左右，在豎直方向上是密封的，內(nèi)部壓力可以互相抵消。在橫向上，當(dāng)水泵的排出水流經(jīng)過排水管彎管時，水流的流向發(fā)生了改變，從而使排出水管內(nèi)的壓力增大，從而使排水管內(nèi)的水流發(fā)生反向作用。由于不能對流體進(jìn)行擠壓，所以壓力會被直接作用在泵體內(nèi)，從而產(chǎn)生了一種“盲板”力。

本次將整個泵體作為一個需要計算的質(zhì)點，基于垂直方向的受力分析，該質(zhì)點所受到的是泵體自身的重力G泵和地腳螺栓對于泵體的預(yù)緊力F螺，以及在向上的位置受到了基礎(chǔ)對于泵體的支撐力F基礎(chǔ)。而在水平方向的受力分析中，泵體受到徑向荷載所產(chǎn)生的徑向力F徑向、入口膨脹節(jié)對于泵體整體的推力F入口以及出口膨脹節(jié)對于整個泵體的拉力F出口、出口流體對于整個泵體的盲板力F盲板。如果此時泵體發(fā)生移動的現(xiàn)象，那么其本身還會受到地面與其之間所產(chǎn)生的摩擦阻力F摩擦。

3.2 故障原因計算分析

3.2.1 徑向荷載的計算

循環(huán)泵等效動力負(fù)荷包括了軸向加載和輻射加載，因為其結(jié)構(gòu)的對稱性，一般不會產(chǎn)生軸向作用力，并且在這個例子中僅涉及到徑向負(fù)載。

本次案例中的徑向荷載F徑向重要包含兩種形式。

1）泵體自身的徑向力，該力通過對該泵體設(shè)計手冊進(jìn)行查閱之后可得到其徑向力的公式：

式中：Kr為試驗系數(shù)，其表示為Kr=0.36［1-（Q/QN）2］；H為為揚程；D為葉輪的直徑；B為出口的寬度；Q為實際流量；QN為最高效率點的流量，本次將Q取值為額定值8000 m3/h，QN=9194 m3/h，那么此時的Kr=0.0874。通過各項數(shù)據(jù)的帶入，最終得出F1=9176 N。

2）由葉輪的不平衡質(zhì)量所導(dǎo)致的離心力，該離心力的數(shù)值可根據(jù)下面公式計算：

式中：R為葉輪的半徑；n為葉輪的轉(zhuǎn)速；Gc為最大半徑位置的參與不平衡質(zhì)量。在咨詢該機泵生產(chǎn)廠家之后了解到Gc=30.1 g。計算得F2=8946 N。

綜上，泵體所受到的徑向荷載F徑向=F1+F2=18122N。

3.2.2 出入口的法蘭受力計算分析

對膨脹節(jié)設(shè)計的相關(guān)資料進(jìn)行查找，明確本次膨脹節(jié)的楊氏模量為1.77×105MPa，當(dāng)泵體發(fā)生2 mm的位移時，可以得到其具體的計算結(jié)果：

在上述計算中可以明確的是，計算值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于徑向荷載的計算值，所以可以將泵體受到的入口法蘭的推力忽略不計。

3.2.3 計算摩擦力

本次本體采取的是M24地腳螺栓，經(jīng)過對其螺栓擰緊的力矩表可以明確看到，每一個螺栓的預(yù)緊力大約為1176 N，因此所有8個螺栓預(yù)緊力應(yīng)當(dāng)為9408 N。在泵體與地面發(fā)生相對位移時，會產(chǎn)生動摩擦力，該摩擦力的計算公式為：

式中：μ表示水泥地面的動摩擦系數(shù)，取0.3，m表示泵體自身的質(zhì)量。

3.2.4 盲板力的存在與影響

盲板力計算公式為：

式中：P為管道出口的壓力值，取0.6 MPa；A為管道出口的截面積，取1.77×106mm2。

由此盲板力為：

由此根據(jù)上述的計算過程可以明確了解到，此時的泵體所受到的盲板力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦力，該盲板力導(dǎo)致泵體產(chǎn)生位移，方向為出口→入口，電機軸瓦上受到了軸體的直接作用力，最終導(dǎo)致軸瓦過載，燒瓦問題發(fā)生。

4 改造與更新方案探討

在機泵工作時，油管上的油膜壓力是一個無法更改的數(shù)字。然而，可以通過調(diào)整泵本體的受力狀態(tài)來阻止其發(fā)生偏移，以減小其對馬達(dá)軸承的損壞。

1）為了防止水泵受到壓力而產(chǎn)生位移、變形，采用泵身底座的方法將兩片板之間采用槽鋼焊接。

2）更換用于輸出波浪形節(jié)節(jié)的碳鋼節(jié)段，并將泵身和管道彎頭進(jìn)行剛性聯(lián)結(jié)，以均衡盲板作用力對泵本體的作用。

通過以上幾種方法，通過對泵本體的應(yīng)力分析，得出了泵體和輸油管線是一體的，其受到的閉板壓力和輸油泵本體的張力是均衡的，沒有產(chǎn)生任何的變形。該設(shè)備已成功地修復(fù)了電動機的軸承磨耗問題，并取得了較好的效果。下面我們就具體的更新與改造措施分析來詳細(xì)探討。

5 改造更新技術(shù)實施

5.1 摩擦副材料選擇

1）軸瓦的內(nèi)襯材料選擇。軸承襯套選用了白塞隆材質(zhì)，它的優(yōu)勢在于：塞隆是一種三段交聯(lián)的熱固化型樹脂，具有良好的自我恢復(fù)能力和良好的彈性，耐沖擊力強，能承受碰撞載荷，不易永久性的變形，對淤泥、污垢等不起作用[2]。采用賽龍水潤滑的軸承，其動態(tài)摩阻因數(shù)分別為0.0207～0.0381和0.05～0.09之間。在低速時，因不存在液體動壓式潤滑，故其摩擦因數(shù)高，在某一速度下，以液體內(nèi)部的摩擦力為主，并以液體中的摩擦力為主，使其具有較大的摩擦力。賽龍是一種均勻的材質(zhì)，在工作時不會產(chǎn)生物料脫落和膠合磨損，賽龍在沒有水分的情況下，它可以在30～120 s之間工作。該產(chǎn)品具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐污、抗干性好、不受貯存時間的制約。

2）軸套材料的選擇。高的強度，耐磨的金屬材質(zhì)是耐磨的白口鑄鐵；高錳鋼耐磨材料，低合金耐磨鋼，高碳高鉻馬氏形鋼，不同材料的化學(xué)組成、組織和性能不同，適用于不同的使用場合[3]。高碳高鉻馬氏體不銹鋼，其耐磨性能好，在大氣、水、某些酸性、鹽等水介質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能，故選用高碳高鉻馬氏體不銹鋼為其加工原料，其鋼號為95Cr18。經(jīng)過淬火和低溫回火，回火后的顯微結(jié)構(gòu)為馬氏體+彌散性的碳化物+殘余奧氏體，其硬度可達(dá)到62～66HRC。用95Cr18制作的軸承襯墊比塞隆襯墊具有更好的磨擦效果。

5.2 軸套與軸瓦加工

1）軸套加工。9Cr18馬氏體不銹鋼中的碳含量很高，所以在進(jìn)行軸承的熱處理過程中，首先要避免發(fā)生硬化開裂。采用適當(dāng)?shù)募訜崞?、控油、適時回火等方法來預(yù)防和預(yù)防淬火開裂。二是要對奧氏顆粒進(jìn)行冷卻處理。為了加快殘余的殘余奧氏體的降解，采取了先淬火，然后進(jìn)行冷卻后的回火工藝。保留了部分奧氏體，增加了軸承的硬度，確保了軸承在工作中的組織和大小的穩(wěn)定。

2）軸瓦加工。在軸套的制造過程中，必須對軸承的軸距進(jìn)行嚴(yán)密的調(diào)整?？障洞?、工作條件不穩(wěn)、振動大；空隙太少，水分太少，干燥磨耗太久。賽龍物料在干工況下溫度達(dá)105℃以上，在60℃以上的水力工況下，物料的表層會出現(xiàn)一定程度的軟化，隨后會出現(xiàn)均勻的斷裂性，從而導(dǎo)致失效[4]。間隙的調(diào)節(jié)有兩個主要的影響：在考慮到塞隆物料的水分含量后，賽龍軸承在吸收水分后，其容積會有輕微的脹大，其加水量比為1.3%，以確保在使用過程中，最小的工作空間。在設(shè)計時要充分利用泵的主軸擺角，并預(yù)留適當(dāng)?shù)目瘴弧?/p>

6 結(jié)語

基于本文對某大型水泵中的循環(huán)水泵電機軸瓦與軸套之間磨損和二者之間摩擦失效的相關(guān)措施分析，希望本文所提出的相關(guān)措施能夠為同類工程提供一些有效的解決建議，保障泵站的安全、穩(wěn)定運行。