大型水泵轴瓦摩擦失效原因分析与技术改造_陈天雄.pdf

大型水泵轴瓦摩擦失效原因分析与技术改造陈天雄（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃景泰730400）摘要：基于甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心调水输水工程中的某泵站发生水泵轴瓦和轴套之间摩擦失效的主要原因分析，提出提升二者材料硬度与耐磨性质的改造技术。在改造之后，整个机组运行十分平稳，且噪声与振动均有这减小的情况。关键词：泵站轴瓦摩擦失效原因分析技术改造中图分类号：TV675文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）01-0092-03引言本文所介绍的调水输水工程全线干、支、斗渠1 391 条 2 422 km，且本次所介绍的泵站为该输水线路中的二期一泵站，设计流量为 28.6 m3/s，加大流量33 m3/s，装机容量为 5 520 kW。该泵站每年运行时间为 10 个月，年调水量为 3.6 亿 m3，对于该区域的水资源调用与供应具有着十分重要的意义。但是在 2019年 8 月份，泵站的 3 号主机组水泵运行时间不到2 000 h 就出现了水导轴瓦和轴套之间摩擦损坏事件，不仅影响了整个设备的可靠运行，同时也影响了整个泵站的顺利运行。由此需要对该故障进行深入分析之后，找到产生故障的原因，保证机组与泵站的安全、长期运行。1泵站设备概况该泵站共设置 11 台单级双吸卧式离心泵，1、6两套调整装置，单机设计流量 3.44 m3/s，水泵采用HS1200-1000-1000A型单级双吸卧式离心泵，并配有YL56012 型异步电动机，电机额定输出功率 1 600kW，泵轴长度 4.3 m，轴直径 160 m，在离耦合器 3.6 m的地方设置了一个液压轴承套。2故障现象探究采用安徽三联泵厂生产的 HS1200-1000-1000A系列单段双吸式水平离心泵，该离心泵的设计设计流量为 12 391 m3/h，扬程 62 m，旋转速度 730 r/min，叶片的外径 0.992 m，质量 8 600 kg，输出宽 0.174 m，输出压力 0.6 MPa。南阳防爆机械设备制造的循环泵马达。整体的流动布局是：进水管、扩张节、大小头、循环水泵、出口大小头、膨胀节和多功能斜板阀门等，见图1。根据机泵的调试和调试的需要，本系统需要电动机进行单次试验 2 h，并与泵进行 4 h 的联试。在电动机的单次试验中没有出现任何的故障。在两次联合试验中，在起动后，出现了水泵本体和电动机的位移，电动机的传动端烧瓦，轴承箱内的机油变色，轴承箱内的高温达到 100。安装在泵体内的百分数计表明，在这两个实验中，整个泵身都向进口方向偏斜，各位移 1.7 mm和 0.11 mm。3故障产生原因计算分析3.1故障原因原理分析在对该循环水泵进行联机试验之后，共发生过烧瓦事故多达 8 次。在此过程中，通过更换润滑油，加固泵体，对电机基础进行二次注浆，但其收效并不令人满意1。对以往电动机轴承轴承的高温磨耗进行了研究，结果表明：在循环泵起动载荷的过程中，轴承轴承的温度会随着负载的下降而下降，轴承的磨损也会得到改善。从循环泵轴的结构特征可以看出，在电动机的转子发生大直径的径向窜动时，电动机的轴肩和轴套的推进器产生了摩擦，从而使轴承的温度上升。针对循环泵的应力问题，从根本上解决了烧瓦问题，并找到造成抽油机偏转的真实原因。循环泵在负载作用下，其内部压力达到 0.6 MPa 左右，在竖直方向上是密封的，内部压力可以互相抵消。在横向上，当水泵的排出水流经过排水管弯管时，水流的流向发生了改变，从而使排出水管内的压力增大，从而使排水管内的水流发生反向作用。由于不能对流体进行挤压，所以压力会被直接作用在泵体内，从而产生了一种“盲板”力。本次将整个泵体作为一个需要计算的质点，基于垂直方向的受力分析，该质点所受到的是泵体自身的重力 G泵和地脚螺栓对于泵体的预紧力 F螺，以及在向上的位置受到了基础对于泵体的支撑力 F基础。而在水平方向的受力分析中，泵体受到径向荷载所产生的径向力 F径向、入口膨胀节对于泵体整体的推力 F入口收稿日期：2022-03-28作者简介：陈天雄（1991），男，甘肃甘谷人，本科，毕业于兰州理工大学水利水电建筑工程专业，工程师，从事水利工程管理工作。总第 223 期2023 年第 1 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economyand InformationizationTotal 223No.1，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.01.034图 1循环水泵整体布置图技术创新循环水泵入口膨胀节出口膨胀节2023 年第 1 期以及出口膨胀节对于整个泵体的拉力 F出口、出口流体对于整个泵体的盲板力 F盲板。如果此时泵体发生移动的现象，那么其本身还会受到地面与其之间所产生的摩擦阻力 F摩擦。3.2故障原因计算分析3.2.1径向荷载的计算循环泵等效动力负荷包括了轴向加载和辐射加载，因为其结构的对称性，一般不会产生轴向作用力，并且在这个例子中仅涉及到径向负载。本次案例中的径向荷载 F径向重要包含两种形式。1）泵体自身的径向力，该力通过对该泵体设计手册进行查阅之后可得到其径向力的公式：F1=9.81KrHDB103式中：Kr为试验系数，其表示为Kr=0.36 1-（Q/QN）2；H 为为扬程；D 为叶轮的直径；B 为出口的宽度；Q 为实际流量；QN为最高效率点的流量，本次将 Q 取值为额定值 8 000 m3/h，QN=9 194 m3/h，那么此时的 Kr=0.087 4。通过各项数据的带入，最终得出 F1=9 176 N。2）由叶轮的不平衡质量所导致的离心力，该离心力的数值可根据下面公式计算：F2=10.9810-9Gcn2R式中：R 为叶轮的半径；n 为叶轮的转速；Gc为最大半径位置的参与不平衡质量。在咨询该机泵生产厂家之后了解到 Gc=30.1 g。计算得 F2=8 946 N。综上，泵体所受到的径向荷载F径 向=F1+F2=18122N。3.2.2出入口的法兰受力计算分析对膨胀节设计的相关资料进行查找，明确本次膨胀节的杨氏模量为 1.77105MPa，当泵体发生 2 mm的位移时，可以得到其具体的计算结果：F入口+F出口=0.002177 0002=708 N.在上述计算中可以明确的是，计算值要远远小于径向荷载的计算值，所以可以将泵体受到的入口法兰的推力忽略不计。3.2.3计算摩擦力本次本体采取的是 M24 地脚螺栓，经过对其螺栓拧紧的力矩表可以明确看到，每一个螺栓的预紧力大约为 1 176 N，因此所有 8 个螺栓预紧力应当为9 408 N。在泵体与地面发生相对位移时，会产生动摩擦力，该摩擦力的计算公式为：F摩擦=（mg+F螺）=（8 6009.8+9408）0.3=28106.4N式中：表示水泥地面的动摩擦系数，取 0.3，m 表示泵体自身的质量。3.2.4盲板力的存在与影响盲板力计算公式为：F盲板=PA式中：P 为管道出口的压力值，取 0.6 MPa；A 为管道出口的截面积，取 1.77106mm2。由此盲板力为：F盲板=1.771060.6=1 062 000 NF盲板=1 062 000 NF摩擦由此根据上述的计算过程可以明确了解到，此时的泵体所受到的盲板力要远远大于摩擦力，该盲板力导致泵体产生位移，方向为出口入口，电机轴瓦上受到了轴体的直接作用力，最终导致轴瓦过载，烧瓦问题发生。4改造与更新方案探讨在机泵工作时，油管上的油膜压力是一个无法更改的数字。然而，可以通过调整泵本体的受力状态来阻止其发生偏移，以减小其对马达轴承的损坏。1）为了防止水泵受到压力而产生位移、变形，采用泵身底座的方法将两片板之间采用槽钢焊接。2）更换用于输出波浪形节节的碳钢节段，并将泵身和管道弯头进行刚性联结，以均衡盲板作用力对泵本体的作用。通过以上几种方法，通过对泵本体的应力分析，得出了泵体和输油管线是一体的，其受到的闭板压力和输油泵本体的张力是均衡的，没有产生任何的变形。该设备已成功地修复了电动机的轴承磨耗问题，并取得了较好的效果。下面我们就具体的更新与改造措施分析来详细探讨。5改造更新技术实施5.1摩擦副材料选择1）轴瓦的内衬材料选择。轴承衬套选用了白塞隆材质，它的优势在于：塞隆是一种三段交联的热固化型树脂，具有良好的自我恢复能力和良好的弹性，耐冲击力强，能承受碰撞载荷，不易永久性的变形，对淤泥、污垢等不起作用2。采用赛龙水润滑的轴承，其动态摩阻因数分别为 0.02070.0381 和 0.050.09 之间。在低速时，因不存在液体动压式润滑，故其摩擦因数高，在某一速度下，以液体内部的摩擦力为主，并以液体中的摩擦力为主，使其具有较大的摩擦力。赛龙是一种均匀的材质，在工作时不会产生物料脱落和胶合磨损，赛龙在没有水分的情况下，它可以在 30120 s之间工作。该产品具有化学性质稳定、耐污、抗干性好、不受贮存时间的制约。2）轴套材料的选择。高的强度，耐磨的金属材质是耐磨的白口铸铁；高锰钢耐磨材料，低合金耐磨钢，高碳高铬马氏形钢，不同材料的化学组成、组织和性能不同，适用于不同的使用场合3。高碳高铬马氏体不锈钢，其耐磨性能好，在大气、水、某些酸性、盐等水介质中均表现出优异的抗腐蚀性能，故选用高碳高铬马氏体不锈钢为其加工原料，其钢号为 95Cr18。经过陈天雄：大型水泵轴瓦摩擦失效原因分析与技术改造93现代工业经济和信息化第 13 卷淬火和低温回火，回火后的显微结构为马氏体+弥散性的碳化物+残余奥氏体，其硬度可达到 6266HRC。用95Cr18 制作的轴承衬垫比塞隆衬垫具有更好的磨擦效果。5.2轴套与轴瓦加工1）轴套加工。9Cr18 马氏体不锈钢中的碳含量很高，所以在进行轴承的热处理过程中，首先要避免发生硬化开裂。采用适当的加热器、控油、适时回火等方法来预防和预防淬火开裂。二是要对奥氏颗粒进行冷却处理。为了加快残余的残余奥氏体的降解，采取了先淬火，然后进行冷却后的回火工艺。保留了部分奥氏体，增加了轴承的硬度，确保了轴承在工作中的组织和大小的稳定。2）轴瓦加工。在轴套的制造过程中，必须对轴承的轴距进行严密的调整。空隙大、工作条件不稳、振动大；空隙太少，水分太少，干燥磨耗太久。赛龙物料在干工况下温度达 105 以上，在 60 以上的水力工况下，物料的表层会出现一定程度的软化，随后会出现均匀的断裂性，从而导致失效4。间隙的调节有两个主要的影响：在考虑到塞隆物料的水分含量后，赛龙轴承在吸收水分后，其容积会有轻微的胀大，其加水量比为 1.3%，以确保在使用过程中，最小的工作空间。在设计时要充分利用泵的主轴摆角，并预留适当的空位。6结语基于本文对某大型水泵中的循环水泵电机轴瓦与轴套之间磨损和二者之间摩擦失效的相关措施分析，希望本文所提出的相关措施能够为同类工程提供一些有效的解决建议，保障泵站的安全、稳定运行。参考文献1袁建.大型水泵日常维护及常见故障处理探究J.砖瓦世界，2021（13）：310.2谢东辰.大型水泵装配密封与气密性检测方法研究J.能源与环保，2020，42（2）：4.3杨全超，文学，徐强.核反应堆主冷却剂泵电机主推力轴承失效分析J.水泵技术，2020（2）：8.4王珺.仿生非光滑结构对水泵叶片阻力的影响D.烟台：烟台大学，2020.（编辑：刘楠）Analysis of the Causes of Frictional Failure and Technical Transformation of Large Water PumpShaft TileChen Tianxiong（Gansu Province Jingtai River Electricity Irrigation and Water Resources Utilization Center,Jingtai Gansu730400）Abstract:Based on the analysis of the main causes of frictional failure between pump shaft tile and shaft sle