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(jī)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(yùn)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(yùn)行過程中，水環(huán)式真空泵的軸溫隨著運(yùn)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(yùn)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(jìn)行計算分析，研究水環(huán)式真空泵在運(yùn)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(yùn)行和維護(hù)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(hù)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(jī)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(jī)，造成經(jīng)濟(jì)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(jī)，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(jī)，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(jī)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(yùn)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(jìn)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(yùn)行1000h后進(jìn)行，后續(xù)每4000運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行當(dāng)中往往有偏差，通過試驗研究軸承在相同運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)行240h進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行維護(hù)當(dāng)中通過觀測繪制溫升曲線來對最佳注脂量進(jìn)行修正。