劉兆,張錦泉
(蘭州石化公司機(jī)電儀運(yùn)維中心,甘肅 蘭州 730060)
某煉油廠150AYII67*6 型多級(jí)離心泵運(yùn)行時(shí)滑動(dòng)軸承溫度高,并曾發(fā)生過滑動(dòng)軸承燒毀故障,設(shè)備拆檢后復(fù)查各部尺寸未見異常,最后確定為滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑不良造成溫度高。
多級(jí)離心泵包括了吸入室、蝸室、葉輪、壓出室、軸及軸封等。輸送流體通過吸入室進(jìn)入泵頭內(nèi),驅(qū)動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)主軸、葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),葉輪的輪片驅(qū)動(dòng)輸送流體與葉輪一起旋轉(zhuǎn),從而增加輸送流體的壓力能量和動(dòng)力能。輸送流體由葉輪中心向葉輪外緣流動(dòng),流體的動(dòng)力能逐漸變大,并在流出葉輪的瞬間動(dòng)力能達(dá)到最大,然后進(jìn)入蝸室,輸送流體的動(dòng)力能逐步降低,將大部分動(dòng)力能轉(zhuǎn)換為壓力能,經(jīng)過壓出室時(shí)動(dòng)力能被進(jìn)一步降低,輸送流體的壓力繼續(xù)升高,達(dá)到需要的壓力后將介質(zhì)壓入泵的排出管道最終到達(dá)目的地。同時(shí),葉輪入口由于輸送流體的排出而形成低壓區(qū),甚至呈現(xiàn)真空趨勢(shì),吸入口液體池中的液體在液面壓力和葉輪入口處負(fù)壓的雙重作用下,輸送流體將通過吸入管路至葉輪入口。當(dāng)設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),葉輪入口不斷吸入輸送流體,并不斷利用葉輪邊緣將流體送出,實(shí)現(xiàn)離心泵對(duì)輸送流體不間斷運(yùn)送。
多級(jí)離心泵的結(jié)構(gòu)是將具有類似結(jié)構(gòu)的多個(gè)的離心泵組合在一起,被輸送的液體在給定的壓力下進(jìn)入泵的吸入口,第一級(jí)的輸送流體出口與第二級(jí)的輸送流體進(jìn)口聯(lián)通,第二級(jí)的輸送流體出口與第三級(jí)的輸送流體進(jìn)口聯(lián)通,由于一級(jí)到另一級(jí)的這種過程的重復(fù)進(jìn)行,從而達(dá)到提高設(shè)計(jì)揚(yáng)程的目的。常見的多級(jí)離心泵基本結(jié)構(gòu)包括水平剖分式和分段式2 種。分段式多級(jí)泵是一種垂直剖分的多級(jí)泵,它由低壓入口段、高壓出口段、多個(gè)中間段、平衡裝置(平衡管、平衡鼓、平衡盤)、密封裝置(軸承箱潤(rùn)滑油密封、泵體介質(zhì)密封)和泵軸(級(jí)間套、葉輪、口環(huán)、軸承)組成,用4 根長(zhǎng)螺栓組裝為一個(gè)整體。主軸上的葉輪個(gè)數(shù)就是多級(jí)離心泵的級(jí)數(shù),每個(gè)中間段的葉輪都有與之相配的隔板,隔板的作用與單級(jí)離心泵的蝸殼相同,目的是將輸送流體的動(dòng)力能轉(zhuǎn)化為壓力能。葉輪多為單吸結(jié)構(gòu),即葉輪的所有吸入口都為統(tǒng)一的方向。為平衡因出入口壓差引起的軸向力,在最后一級(jí)后面裝有平衡盤或平衡鼓,并用平衡管將設(shè)備的出口段與吸入段相連通,通過調(diào)整墊片或者車削平衡座、平衡盤,將轉(zhuǎn)子保持在每級(jí)隔板流道的中心位置附近,在平衡盤裝置機(jī)理作用下,設(shè)備在運(yùn)行過程中主軸會(huì)有一定量的左右竄動(dòng)(0.10 ~0.50mm)。
水平剖分式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是泵體及導(dǎo)流裝置沿泵軸的軸線方向水平剖分,將設(shè)備分離成為上下2 部分,設(shè)備的吸入口和排出口直接鑄造在泵體上,在解體檢查時(shí)只需拆除中分面全部螺栓,起吊泵上蓋即可露出整個(gè)轉(zhuǎn)子,可直接將轉(zhuǎn)子吊出而無需拆解各個(gè)中間段及連接管路。這種泵的葉輪多數(shù)為偶數(shù),葉輪的入口方向相對(duì)或者相反,可以平衡設(shè)備的大部分軸向力,因而不需要安裝平衡盤或者平衡鼓等平衡裝置。
引起多級(jí)離心泵滑動(dòng)軸承溫度高的原因有很多,如驅(qū)動(dòng)機(jī)與設(shè)備未能保持同心,引起設(shè)備振動(dòng)造成滑動(dòng)軸承油膜破壞出現(xiàn)較大摩擦,從而導(dǎo)致滑動(dòng)軸承溫度出現(xiàn)升高現(xiàn)象;滑動(dòng)軸承側(cè)隙及頂間隙過小,導(dǎo)致潤(rùn)滑油實(shí)際流入軸與滑動(dòng)軸承間隙內(nèi)的量相對(duì)較少,難以形成良好的潤(rùn)滑油膜,同時(shí)也因?yàn)殚g隙過小,潤(rùn)滑油不易帶走摩擦引發(fā)的設(shè)備熱量,引起溫度升高,滑動(dòng)軸承與軸頸的接觸面積低于75%,使接觸部分產(chǎn)生過大負(fù)載壓力引起溫度升高;轉(zhuǎn)子中心定位不準(zhǔn)造成推力軸承承受額外附加載荷,或主軸位移造成平衡盤磨損,軸向力偏移預(yù)警軸承承受過大軸向力發(fā)熱,引起潤(rùn)滑油溫度升高,潤(rùn)滑油冷卻效果降低導(dǎo)致滑動(dòng)軸承溫度高;軸承箱后壓蓋預(yù)留間隙過小,沒有預(yù)留出轉(zhuǎn)子熱膨脹間隙,或沒有預(yù)留夠平衡盤位移間隙,造成軸承箱壓蓋與轉(zhuǎn)動(dòng)部件碰磨引起溫度升高;平衡鼓間隙過大或平衡管堵塞造成軸向力無法平衡,引起滑動(dòng)軸承溫度高;潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)失效導(dǎo)致潤(rùn)滑油溫度過高,潤(rùn)滑油變質(zhì)造成潤(rùn)滑油冷卻效果減低,引起溫度升高;工藝抽空造成設(shè)備振動(dòng),或引起軸向力平衡系統(tǒng)失效,導(dǎo)致設(shè)備動(dòng)靜碰磨引起滑動(dòng)軸承溫度升高;葉輪與軸配合間隙過大、背帽松動(dòng)、聯(lián)軸器與軸配合間隙過大、滑動(dòng)軸承背緊力不足等設(shè)備松動(dòng)問題均可能造成設(shè)備振動(dòng),引起溫度升高。
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備拆檢及運(yùn)行記錄查看,未發(fā)現(xiàn)裝配及操作不當(dāng),檢查滑動(dòng)軸承磨損痕跡,確定為潤(rùn)滑不良造成滑動(dòng)軸承溫度高。
潤(rùn)滑,就是將潤(rùn)滑介質(zhì)填充進(jìn)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副之間,使其在摩擦副之間形成起潤(rùn)滑作用的液膜,將原來直接接觸的2個(gè)摩擦副表面分離,改善摩擦副的摩擦狀態(tài)以達(dá)到降低摩擦阻力、減緩磨損、節(jié)省能耗、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命的目的。潤(rùn)滑的作用大致可總結(jié)以下9個(gè)方面,減少摩擦、降低設(shè)備磨損、設(shè)備冷卻、防腐防銹、絕緣、傳遞動(dòng)能、減振、清洗、密封。
在滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑中,按表面的潤(rùn)滑情況可分為以下幾種潤(rùn)滑形式。
(1)無潤(rùn)滑?;瑒?dòng)軸承與主軸的2 表面之間無潤(rùn)滑介質(zhì)直接接觸,此時(shí)的摩擦狀態(tài)稱為干摩擦,在實(shí)際工況下不存在真正干摩擦,一般所稱的干摩擦軸承,僅指無潤(rùn)滑介質(zhì)但可能存在金屬氧化膜或自然污染膜的軸承。
(2)邊界潤(rùn)滑。當(dāng)摩擦副之間不能獲得流體動(dòng)壓膜和彈流潤(rùn)滑膜,金屬表面上仍然遺留有吸附的極薄的油膜,這種表面膜能承受一定的壓力,但不能避免設(shè)備主軸和滑動(dòng)軸承金屬表面凸峰的直接接觸,摩擦和磨損情況比干摩擦大為改善,靠邊界油膜進(jìn)行的潤(rùn)滑叫做邊界潤(rùn)滑。
(3)流體潤(rùn)滑。摩擦副運(yùn)動(dòng)表面上被一層一定厚度(通常為1.5 ~2μm 以上)的連續(xù)流體膜完全隔開,此時(shí)主軸與滑動(dòng)軸承金屬表面的凸峰不直接接觸,主軸與滑動(dòng)軸承之間的外摩擦轉(zhuǎn)化為流體膜內(nèi)部的內(nèi)摩擦,稱為流體潤(rùn)滑。其潤(rùn)滑能力由液膜流體的黏度決定,與2個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副材質(zhì)無關(guān),這種潤(rùn)滑狀態(tài)的摩擦力低、設(shè)備磨損少,可極大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
(1)手動(dòng)潤(rùn)滑。在發(fā)現(xiàn)軸承的潤(rùn)滑流體不足時(shí),使用注油設(shè)備適時(shí)供油。
(2)滴油潤(rùn)滑。依靠滴油潤(rùn)滑裝置,通過潤(rùn)滑油的自流向潤(rùn)滑部位潤(rùn)滑。
(3)壓力潤(rùn)滑。利用潤(rùn)滑油泵將供油箱的潤(rùn)滑油以一定壓力運(yùn)送到各潤(rùn)滑部位,潤(rùn)滑油經(jīng)過濾冷卻后,再通過管路回到供油箱,形成循環(huán)回路。
(4)飛濺潤(rùn)滑。靠附裝在軸上的甩油環(huán)將油攪動(dòng),使之飛濺在摩擦表面上。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),靠摩擦力帶動(dòng)油環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),從而把油帶入滑動(dòng)軸承中,進(jìn)行潤(rùn)滑。當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)速為250 ~3000r/min 范圍內(nèi)的水平軸時(shí),可選用此種方式潤(rùn)滑。當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)速過高,甩油環(huán)會(huì)因強(qiáng)烈跳動(dòng)而無法達(dá)到平穩(wěn)的油膜傳動(dòng)速度,而轉(zhuǎn)速過低時(shí),甩油環(huán)帶起的潤(rùn)滑油量較低,無法滿足設(shè)備潤(rùn)滑需要。
徑向滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑方式一般使用下式進(jìn)行選擇:
式中,p 為軸頸上的平均壓強(qiáng),MPa;v 為軸頸上的圓周速度,m/s;P 為軸承所承受的最大徑向載荷,N;d為軸頸直徑,mm;B 為軸承工作寬度,mm。
當(dāng)K ≤2 時(shí),選用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑;當(dāng)K >2 ~15 時(shí),選用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑;當(dāng)K >15 ~30 時(shí),選用飛濺潤(rùn)滑,必要時(shí)可以用水或循環(huán)油冷卻;當(dāng)K >30 時(shí),必須選用壓力潤(rùn)滑。
甩油環(huán)直接穿套在設(shè)備主軸上,并由滑動(dòng)軸承上蓋部分的加工槽限定甩油環(huán)位置(用于滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑時(shí)一般由軸承箱頂部裝入2 條長(zhǎng)螺栓進(jìn)行限位),以避免設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)甩油環(huán)沿軸向移動(dòng)。甩油環(huán)下部部分浸沒于潤(rùn)滑油中,當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),帶動(dòng)甩油環(huán)在摩擦力作用下轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)將潤(rùn)滑油帶起輸送到滑動(dòng)軸承。甩油環(huán)的運(yùn)動(dòng)過程分為3個(gè)階段,即同速階段、滑移階段以及完全油膜傳動(dòng)階段。在低速下,甩油環(huán)與主軸之間無相對(duì)滑動(dòng),甩油環(huán)自身轉(zhuǎn)動(dòng)速度與軸轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系;當(dāng)甩油環(huán)速度逐漸上升,附著在甩油環(huán)下部的潤(rùn)滑油的阻力大于主軸與甩油環(huán)之間的摩擦力時(shí),甩油環(huán)與主軸則會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),成為滑動(dòng)速度;當(dāng)甩油環(huán)的速度繼續(xù)增大,潤(rùn)滑油在甩油環(huán)與主軸間形成油膜,當(dāng)摩擦力和阻力平衡時(shí),甩油環(huán)進(jìn)入局部油膜驅(qū)動(dòng)狀態(tài),當(dāng)設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到2.9倍的甩油環(huán)初滑移主軸轉(zhuǎn)速時(shí),進(jìn)入完全油膜傳動(dòng)狀態(tài)。甩油環(huán)的供油量被分成超出供油速度階段及未超出供油速度階段,只有當(dāng)2個(gè)階段均滿足滑動(dòng)軸承的最小供油量,甩油環(huán)才能為滑動(dòng)軸承提供滿足運(yùn)轉(zhuǎn)需要的潤(rùn)滑油量。
甩油環(huán)與軸之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)極易產(chǎn)生黏著磨損及磨粒磨損,磨屑掉入潤(rùn)滑油中會(huì)造成潤(rùn)滑油污染,顆粒狀的磨屑存在于潤(rùn)滑油中又會(huì)加速甩油環(huán)本身及滑動(dòng)軸承與主軸的磨損,引起惡性循環(huán),導(dǎo)致甩油環(huán)及軸承損壞。結(jié)合黏著磨粒磨損計(jì)算公式及磨損發(fā)生原因可以得出使用與軸材質(zhì)不同、硬度較高、表面粗糙度低材質(zhì)的甩油環(huán)能有效降低磨損量,延長(zhǎng)使用壽命。多數(shù)情況下甩油環(huán)可使用黃銅、青銅、鑄鋅等材質(zhì)。
最小供油量約為完全注入軸承與軸頸間隙的10%。
通過Qmin=0.039nd2LC 進(jìn)行估算,其中L 為滑動(dòng)軸承有效長(zhǎng)度;C 為滑動(dòng)軸承與軸頸間隙比。
甩油環(huán)的3個(gè)速度階段:
式中,N 為甩油環(huán)轉(zhuǎn)速;n 為軸轉(zhuǎn)速;d 為軸頸直徑;D 為甩油環(huán)內(nèi)徑。
(2)滑移階段:N1=0. 029
式中,N1為甩油環(huán)初滑移轉(zhuǎn)速;w 為甩油環(huán)重量;μ 為潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度。
(3)油膜傳動(dòng)階段:N2=
式中,N2為甩油環(huán)轉(zhuǎn)速;v 為潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度。
甩油環(huán)的供油量:
(1)甩油環(huán)供油速度:Nt
式中,Nt為供油速度。
(2)甩油環(huán)轉(zhuǎn)速小于等于供油速度時(shí),供油量計(jì)算如下:
Qt=0.00137(DNt)1.5Wv0.65
式中,Qt為甩油環(huán)供油量;W 為甩油環(huán)寬度。
(3)甩油環(huán)轉(zhuǎn)速大于輸送速度時(shí),供油量計(jì)算如下:
式中,Q 為甩油環(huán)供油量;nt為甩油環(huán)處于供油速度時(shí)的軸頸轉(zhuǎn)速;n 為設(shè)備轉(zhuǎn)速;
通過計(jì)算甩油環(huán)的供油速度,然后對(duì)比甩油環(huán)3個(gè)階段速度與供油速度大小,分別計(jì)算3個(gè)速度下的供油量是否大于最小供油量,即可確定甩油環(huán)設(shè)計(jì)是否滿足要求,經(jīng)過計(jì)算該泵甩油環(huán)設(shè)計(jì)過小造成潤(rùn)滑不良,改為雙甩油環(huán)解決設(shè)備故障(計(jì)算過程略)。