張 文

（神華神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦 陜西榆林）

一、概述

大柳塔煤礦活雞兔井，井下供水系統(tǒng)配有4臺(tái)多級(jí)離心泵，型號(hào)MD155-30×8，流量155 m3/h，揚(yáng)程240 m，配套電機(jī)為變頻電機(jī)，型號(hào)YBBP315L-4，功率185 kW，電壓660 V。其中2臺(tái)24 h連續(xù)運(yùn)行，1臺(tái)備用，1臺(tái)檢修。該泵于2012年8月底改造完畢開(kāi)始試運(yùn)行，投入運(yùn)行1年，離心泵故障頻繁，不能穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)生的故障包括泵軸軸向竄量大，供水設(shè)備及管路振動(dòng)以及導(dǎo)致混凝土基礎(chǔ)地腳螺栓松動(dòng)并且發(fā)生2次斷軸事故。生產(chǎn)和檢修工作非常被動(dòng)，經(jīng)過(guò)不斷分析總結(jié)，找到消除多級(jí)離心泵故障的對(duì)策，徹底改變了設(shè)備運(yùn)行狀況。

二、故障原因分析

1.多級(jí)離心泵軸向竄量大的原因分析

（1）機(jī)械加工精度差及總裝誤差，造成泵軸竄動(dòng)量過(guò)大。由于在采購(gòu)管理環(huán)節(jié)的技術(shù)標(biāo)書(shū)中，未能夠詳細(xì)列出零件和整個(gè)機(jī)組的各種技術(shù)要求，致使在加工和總裝過(guò)程中出現(xiàn)精度差，整機(jī)組裝過(guò)程中未進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)與檢驗(yàn)，出現(xiàn)泵軸軸向竄量大。例如，平衡盤(pán)及平衡環(huán)接觸面及泵體密封面的加工精度不夠等。

（2）軸向力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。多級(jí)離心泵的平衡盤(pán)在工作時(shí)自動(dòng)改變平衡盤(pán)與平衡環(huán)之間的軸向間隙，從而改變平衡盤(pán)前后兩側(cè)的壓差，產(chǎn)生一個(gè)與軸向力方向相反的作用力來(lái)平衡軸向力。在使用過(guò)程中轉(zhuǎn)軸竄動(dòng)的慣性作用和瞬態(tài)離心泵工況的波動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子不會(huì)靜止在某一軸向平衡位置。平衡盤(pán)始終處在竄動(dòng)的狀態(tài)。實(shí)際使用時(shí)，往往由于泵的軸向力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，軸向力沒(méi)有被平衡，這種情況下運(yùn)行，會(huì)加劇平衡盤(pán)與平衡環(huán)的摩擦磨損，致使轉(zhuǎn)子竄動(dòng)量進(jìn)一步加大。轉(zhuǎn)子的撓度大，也會(huì)使平衡盤(pán)與平衡環(huán)接觸面之間受力不均勻，造成平衡效果不好，從而造成離心泵軸向竄量急劇增大。

（3）多級(jí)離心泵使用軸承選型不合理。離心泵兩端軸承都選用滑動(dòng)圓柱滾子軸承。在多級(jí)泵頻繁啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)及停車(chē)過(guò)程中，因軸向力過(guò)大，會(huì)造成轉(zhuǎn)泵軸向竄量大。由于竄量逐漸大，軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間存在一定的偏移，導(dǎo)致滾動(dòng)體接觸面小，單位接觸面積壓力增加，潤(rùn)滑油膜也將受到破壞，在軸承內(nèi)部出現(xiàn)干磨擦現(xiàn)象。使?jié)櫥椭軣崞蛱炕Y(jié)焦，最終使得軸承在高溫下燒損。在這種情況下使用，有時(shí)甚至出現(xiàn)軸承與軸燒結(jié)在一起，致使多級(jí)離心泵部分零部件嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)象。

2.多級(jí)離心泵振動(dòng)的原因分析

（1）轉(zhuǎn)子不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)軸線時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生偏心質(zhì)量。高速轉(zhuǎn)動(dòng)下的轉(zhuǎn)子便會(huì)產(chǎn)生方向周期變化的離心力，該力作用在支撐軸承上，便誘發(fā)了軸承部位的振動(dòng)。例如葉輪損壞或堵塞。

（2）機(jī)組同軸度調(diào)整不良產(chǎn)生振動(dòng)。一般情況下電機(jī)和離心泵通過(guò)聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。裝配時(shí)電機(jī)和泵軸的同軸度有嚴(yán)格的調(diào)整精度要求。在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，同軸度超差會(huì)破壞聯(lián)軸器的平衡狀態(tài)，為補(bǔ)償這種偏差，聯(lián)軸器的撓性原件便會(huì)產(chǎn)生交變協(xié)調(diào)變形，從而產(chǎn)生交變的協(xié)調(diào)內(nèi)力，此力作用在泵和電機(jī)上，便引起機(jī)組振動(dòng)。

（3）軸承磨損超限引發(fā)振動(dòng)。由于軸承磨損造成內(nèi)外套間隙變大，轉(zhuǎn)子部件偏心運(yùn)行，產(chǎn)生振動(dòng)。這種情況多集中于立式泵。對(duì)于滑動(dòng)軸承，如果軸瓦頂部間隙過(guò)小或瓦蓋緊力過(guò)大，都會(huì)造成軸與上瓦的部分接觸，接觸點(diǎn)的摩擦力作用于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相反方向上，迫使轉(zhuǎn)子激烈得振動(dòng)旋轉(zhuǎn)。這種振動(dòng)是一種自激振動(dòng)，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。如果軸瓦兩側(cè)間隙不合適，則無(wú)法形成工作油膜，造成干摩擦，也會(huì)引起自激振動(dòng)。

（4）共振。共振是機(jī)械振動(dòng)的一種特殊情況，即當(dāng)機(jī)組的固有頻率等于策動(dòng)力頻率時(shí)，機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。機(jī)組共振時(shí)，理論上其振幅無(wú)限放大。但是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于水力阻尼、材料阻尼等因素的存在，共振振幅只能達(dá)到一個(gè)有限值。共振存在兩種形式：轉(zhuǎn)子部件固有頻率接近運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的共振，稱之為轉(zhuǎn)子共振；支撐基礎(chǔ)的固有頻率接近運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的共振，稱之為基礎(chǔ)共振。轉(zhuǎn)子共振頻率與轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)無(wú)關(guān)，但偏心質(zhì)量的存在會(huì)加劇振動(dòng)幅值。針對(duì)多級(jí)離心泵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，多級(jí)離心泵的基礎(chǔ)底座及地腳螺栓澆筑在混凝土中。設(shè)備本身及外圍設(shè)備運(yùn)行時(shí)，各種振動(dòng)通過(guò)基座相互影響，情況非常復(fù)雜。在某些情況下，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)底座地腳螺栓松動(dòng)，造成設(shè)備振動(dòng)加劇，甚至引發(fā)設(shè)備和管路出現(xiàn)共振。

3.斷軸原因分析

（1）泵軸設(shè)計(jì)不合理。從2次的斷軸發(fā)現(xiàn)，每次斷軸的部位完全一致，均在靠多級(jí)離心泵軸伸端第一個(gè)軸肩根部，且斷軸邊緣有清晰的疲勞裂紋臺(tái)階，斷面無(wú)任何舊裂紋痕跡。首先對(duì)泵軸本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，實(shí)際結(jié)果表明，2根斷軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均不合理，都在離心泵軸伸端的軸肩部位斷裂，軸肩與軸頸之間被加工為直角，無(wú)過(guò)渡圓角，且軸徑與軸肩連接根部有一退刀槽。由材料力學(xué)知識(shí)可知，這一結(jié)構(gòu)容易使軸徑變化處受力后產(chǎn)生應(yīng)力集中。在離心泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵軸在扭矩和彎矩作用下，其剪應(yīng)力在軸肩根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，容易在應(yīng)力集中處萌生裂紋，隨著裂紋的發(fā)展最終導(dǎo)致軸的斷裂。

（2）機(jī)組軸心不重合。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中還發(fā)現(xiàn)，4臺(tái)泵軸心與電機(jī)軸心不重合（即兩軸不同心），尤其1#、2#機(jī)組較為嚴(yán)重。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是焊接的基礎(chǔ)底座嚴(yán)重變形，泵體入水口的管路澆筑于防水的混凝土墻壁中，致使無(wú)法通過(guò)增加和減少墊片來(lái)調(diào)整中心高度，導(dǎo)致離心泵無(wú)法調(diào)平找正。給離心泵調(diào)平找正工作帶來(lái)很大困難。正是由于機(jī)組兩軸心不重合，就產(chǎn)生了兩方面的影響。一方面，當(dāng)離心泵與電機(jī)以2900 r/min的高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因兩軸不同心導(dǎo)致其扭矩加大、軸承損壞加快。當(dāng)扭矩超過(guò)軸的極限允許值或軸承損壞后發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，泵軸就會(huì)在最薄弱環(huán)節(jié)折斷。另一方面，當(dāng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵體因兩軸不同心而產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)位移值平均為0.32 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最大允許值。這使泵軸受到較大的交變應(yīng)力作用，于是就增大了泵軸疲勞破壞的可能性；同時(shí)，泵體的振動(dòng)也相應(yīng)地縮短了軸承的使用壽命。尤其是在兩軸不同心和應(yīng)力集中的共同作用下，更進(jìn)一步地加快了軸的斷裂。

三、對(duì)策

1.采購(gòu)管理過(guò)程中應(yīng)詳細(xì)列出零件的質(zhì)量和技術(shù)要求

只有使用質(zhì)量合格的零部件，才能保證多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)軸組裝后滿足各項(xiàng)技術(shù)要求的規(guī)定，如零件加工精度、靜平衡允差，軸的圓柱度、直線度，軸徑徑向圓跳動(dòng)、聯(lián)軸器端面間隙及平行度，基座縱橫向水平度、離心泵與電機(jī)同軸度等。另外在采購(gòu)時(shí)，離心泵基礎(chǔ)底座盡量采用一體的鑄鐵或鑄鋼件，不采購(gòu)焊接基礎(chǔ)底座，原因是其強(qiáng)度低、易變形、故障率高且維修困難。

2.合理使用、檢查與維修平衡裝置

合理地使用軸向力的平衡裝置，消除軸向竄量。為了滿足這一要求，比較理想的作法有：平衡盤(pán)與軸向止推軸承配合使用，由平衡盤(pán)來(lái)平衡軸向力，由軸向止推軸承對(duì)泵軸進(jìn)行軸向限位。另外，為了增加平衡盤(pán)與平衡環(huán)的耐磨性，對(duì)材料的選擇與熱處理都要有嚴(yán)格要求，以保證工作表面有足夠的硬度；加強(qiáng)檢查，決不能使正在使用中的平衡盤(pán)右側(cè)相同的回水管堵死，一旦堵死，平衡盤(pán)兩邊就不存在壓力差，平衡盤(pán)就失去平衡軸向力的作用，造成平衡盤(pán)與平衡環(huán)直接摩擦。在日常維護(hù)中，要注意疏通平衡盤(pán)回水管路，檢查平衡盤(pán)與平衡環(huán)的磨損情況，若磨損嚴(yán)重，要及時(shí)更換。

3.調(diào)整墊圈厚度縮小竄量

多級(jí)離心泵安裝過(guò)程中，在未安裝平衡盤(pán)前，原始軸向竄量很大。有時(shí)高達(dá)5～10 mm，這與設(shè)計(jì)要求的0.5 mm相差很大。實(shí)踐證明，利用調(diào)整墊圈減少離心泵軸向竄動(dòng)量非常有效。調(diào)整墊圈的位置一般選在平衡盤(pán)尾部與葉輪之間，調(diào)整墊圈的外徑與內(nèi)徑應(yīng)與平衡盤(pán)的尾套尺寸一致，厚度視具體情況而定。方法是拆下平衡盤(pán)，把平衡盤(pán)尾部的調(diào)整墊片去除一部分，若無(wú)可以調(diào)整的墊片，可以將平衡盤(pán)的尾部車(chē)去一部分，去除部分的厚度大體上相當(dāng)于平衡盤(pán)與平衡環(huán)磨去厚度之和。

4.對(duì)機(jī)組基礎(chǔ)底座補(bǔ)焊加固重新澆注混凝土基礎(chǔ)

由于原機(jī)組的基礎(chǔ)底座為型材焊接，并且焊接質(zhì)量差，導(dǎo)致基礎(chǔ)底座強(qiáng)度低、變形嚴(yán)重，引起設(shè)備共振，導(dǎo)致地腳螺栓松動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將振動(dòng)嚴(yán)重的1#、2#機(jī)組拆卸，重新開(kāi)挖混凝土基礎(chǔ)坑，對(duì)基礎(chǔ)底座進(jìn)行焊接加固并安裝。安裝工程中重新梳理安裝流程，避免離心泵入口法蘭承受外部拉應(yīng)力。重新澆注混凝土基礎(chǔ)并預(yù)留地腳螺栓2次澆注坑；將離心泵和電機(jī)放置于加固完畢的基礎(chǔ)底座上，對(duì)其進(jìn)行調(diào)平找正，調(diào)整數(shù)據(jù)在技術(shù)文件規(guī)定值之內(nèi)；第一次澆注的基礎(chǔ)凝固后，將機(jī)組放置于基礎(chǔ)之上，利用墊鐵粗調(diào)機(jī)組，連接離心泵入口和出口管路，但不緊固法蘭螺栓，然后進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，滿足技術(shù)要求后，緊固法蘭螺栓，安裝機(jī)組地腳螺栓，進(jìn)行2次混凝土澆注。為了避免發(fā)生振動(dòng)，必須等2次澆注凝固后緊固地腳螺栓1次，機(jī)組正常運(yùn)行24 h后再緊固1次。

5.優(yōu)化泵軸結(jié)構(gòu)

對(duì)原有泵軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將原來(lái)泵軸上軸肩與軸頸之間的直角及退刀槽取消，并改直角連接為圓角過(guò)渡，圓弧半徑取3 mm，從而徹底消除了泵軸在該位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

6.其他方法

（1）檢修工加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)設(shè)備要進(jìn)行預(yù)防性檢修和保養(yǎng)，并嚴(yán)格執(zhí)行周、月和季檢制度，檢查中發(fā)現(xiàn)磨損超限的零部件要及時(shí)更換。

（2）崗位工要在巡回檢查中嚴(yán)格按照規(guī)定和制度，進(jìn)行認(rèn)真巡查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理或匯報(bào)。

采用上述方法后，多級(jí)離心泵始終在最佳狀態(tài)運(yùn)行，確保了多級(jí)離心泵的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。礦井供排水系統(tǒng)的可靠系數(shù)提高，為礦井安全生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。