張 強(qiáng),張 琦,劉志偉,張 瀛

(魯能新能源(集團(tuán))有限公司新疆分公司,新疆 烏魯木齊 830022)

兆瓦級(jí)雙饋機(jī)組齒輪箱出現(xiàn)斷齒、竄動(dòng)、軸承高溫、軸承跑圈等問題后,需進(jìn)行跑圈軸承更換、高速軸軸系更換,運(yùn)維工作量大且費(fèi)用較高,給老舊場(chǎng)站經(jīng)營(yíng)造成一定壓力。

為解決上述問題,本文根據(jù)高速軸軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)綜合判斷故障原因,提出齒輪箱“四步”清洗、軸承孔金屬修復(fù)、安裝軸系竄動(dòng)預(yù)警裝置等措施,經(jīng)實(shí)踐證明,可有效改善高速軸軸系運(yùn)行環(huán)境,延長(zhǎng)高速軸軸系壽命。

1 故障分析

1.1 軸系結(jié)構(gòu)分析

高速軸是齒輪箱的輸出軸,額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min,承受工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和巨大熱量,工況惡劣,主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)保證運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

高速軸軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)精密,包括葉片側(cè)圓柱滾子軸承、電機(jī)側(cè)圓柱滾子軸承、定距環(huán)、噴油板、四點(diǎn)接觸球軸承、止退墊圈、圓螺母、擋油板、甩油環(huán)、高速軸等[1],如圖1所示。圓柱滾子軸承承受高速軸徑向質(zhì)量載荷,四點(diǎn)接觸球軸承承受軸向載荷,與定距環(huán)配合負(fù)責(zé)軸向定位,噴油板負(fù)責(zé)傳導(dǎo)潤(rùn)滑油,甩油環(huán)、擋油板與齒輪箱端蓋配合保證齒輪箱的密封性。

圖1 高速軸軸系剖面圖

1.1.2潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)分析

潤(rùn)滑系統(tǒng)主要對(duì)高速軸軸系軸承、嚙合齒進(jìn)行潤(rùn)滑,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—油池溫度傳感器;2—潤(rùn)滑泵;3—潤(rùn)滑泵出口壓力傳感器;4—過濾器;5—溫控閥;6—冷卻器;7—進(jìn)口壓力傳感器(集油分配器壓力傳感器);8—進(jìn)口溫度傳感器(集油分配器溫度傳感器);9—集油分配器;10—高速軸前軸承油路;11—前軸承溫度傳感器;12—后軸承溫度傳感器;13—高速軸后軸承油路

潤(rùn)滑系統(tǒng)以電機(jī)為動(dòng)力源,潤(rùn)滑油經(jīng)過內(nèi)部濾芯過濾到達(dá)集油分配器,再經(jīng)油管傳導(dǎo)到高速軸軸系[2],其中一路油管與高速軸軸系的低速側(cè)軸承基座相連,另一路油管與高速側(cè)軸承基座相連。

1.2 軸系故障類型及分析

由于高速軸軸系可能發(fā)生各種各樣的故障,有時(shí)跑圈伴隨著竄軸、高溫伴隨著跑圈,單對(duì)某個(gè)故障進(jìn)行分析略顯片面,也很難入手。本文轉(zhuǎn)換思路,結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),從軸系潤(rùn)滑、軸承更換安裝、對(duì)中維護(hù)等高速軸軸系日常維護(hù)工作來對(duì)應(yīng)分析高速軸軸系故障。

1.2.1潤(rùn)滑不足的影響

潤(rùn)滑油可減少軸承滾動(dòng)時(shí)的摩擦阻力,并起到降溫的作用。齒輪箱的出口油壓不得大于13 bar,進(jìn)口油壓不得小于0.5 bar。某場(chǎng)站1.5 MW機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 高速軸軸系壓力、溫度表

觀察表中數(shù)據(jù)可知,較低油壓對(duì)應(yīng)較高軸承溫度,說明潤(rùn)滑不足會(huì)導(dǎo)致軸承高溫。持續(xù)高溫會(huì)導(dǎo)致軸承徑向游隙增大[3],軸承外圈受到較大的相對(duì)摩擦力而發(fā)生跑圈,同時(shí)潤(rùn)滑油在高溫的作用下會(huì)黏附在軸承保持架上,減少軸承的使用壽命,如圖3所示。

圖3 軸承油污黏連

1.2.2潤(rùn)滑不足的原因

結(jié)合潤(rùn)滑系統(tǒng)的構(gòu)成分析可知,軸承潤(rùn)滑不足原因即是齒輪箱進(jìn)、出口油壓力低的原因,相關(guān)原因共分4種情況,見表2。

表2 潤(rùn)滑不足現(xiàn)象分析

1.2.3更換軸承安裝不良的影響

軸承與齒輪箱孔實(shí)行過盈裝配,精度達(dá)百分之一毫米[4],裝配不良會(huì)造成軸承跑圈。跑圈最大的危害是齒輪箱孔磨損。齒輪箱一般為鑄鐵材質(zhì),雖具有一定耐磨性,但與高碳含量的軸承外圈相比[5],其耐磨性能較低,更易被磨損,如圖4所示。軸承外圈磨損后更換軸承即可,但齒輪箱孔磨損后卻難以修復(fù)。

圖4 軸承孔磨損情況

1.2.4更換軸承安裝不良的原因

軸承裝配精度要求高,在實(shí)際工作中需要借助高精度儀器進(jìn)行裝配。目前軸承故障的處理方式為簡(jiǎn)單的同規(guī)格軸承更換,更換軸承后跑圈、高溫情況雖短暫消除,但未關(guān)注裝配精度,未解決齒輪箱孔磨損問題,運(yùn)行一段時(shí)間后,問題依然出現(xiàn)。

1.2.5對(duì)中不良的影響

高速軸需要與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子保持良好的對(duì)中,對(duì)中不良會(huì)引起高速軸齒斷齒、振動(dòng),如圖5所示。

圖5 不良對(duì)中示意圖

圖5為垂直方向不對(duì)中,在機(jī)組啟動(dòng)后高速軸齒將承受過載壓力[6],長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行造成斷齒,并由于嚙合不良造成較強(qiáng)的振動(dòng),而振動(dòng)會(huì)破壞圓螺母的內(nèi)外螺紋,并因此引起軸向微量的相對(duì)移動(dòng)及周向微量的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致圓螺母松動(dòng),造成高速軸竄動(dòng)。

1.2.6對(duì)中不良的原因

按照風(fēng)電機(jī)組技術(shù)監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn),對(duì)中需依靠精準(zhǔn)儀器,并對(duì)機(jī)組運(yùn)行環(huán)境有較高要求,需要在風(fēng)速小于6 m/s條件下進(jìn)行[7]。然而實(shí)際工程中,現(xiàn)場(chǎng)人員有時(shí)存在“搶工期”現(xiàn)象,未能嚴(yán)格按上述兩項(xiàng)技術(shù)要求進(jìn)行,形成不良的對(duì)中。

綜上所述,高速軸軸系損壞原因主要為潤(rùn)滑不足、裝配精度不夠以及對(duì)中工藝不良,隨著運(yùn)行年限的增加,軸系高溫情況逐年加重,進(jìn)而使軸承出現(xiàn)跑圈現(xiàn)象,加重軸承運(yùn)行負(fù)荷,引起較大振動(dòng),導(dǎo)致高速軸軸系出現(xiàn)斷軸、竄動(dòng)。

2 維護(hù)保養(yǎng)措施

通過上述分析可知,保證軸系潤(rùn)滑油壓、確保軸承裝配和對(duì)中精度是高速軸軸系日常維護(hù)保養(yǎng)的關(guān)鍵。本文針對(duì)性地提出開展齒輪箱“四步”清洗、齒輪箱孔金屬修復(fù)及安裝軸系竄動(dòng)預(yù)警裝置等措施,可進(jìn)一步提高高速軸軸系的使用壽命。

2.1 齒輪箱“四步”清洗

傳統(tǒng)的油品更換方式為舊油排放后加注新油,但仍會(huì)有舊油及其他污染物的殘留,效果欠佳。通過“四步”清洗將消除上述弊端,具體如下。

1)預(yù)清洗。換油前,提前24 h在齒輪箱油箱內(nèi)注入溶劑型清洗劑,注入量為齒輪箱容量的2%～4%。注入后齒輪箱保持24 h正常運(yùn)行,以將箱內(nèi)的油污溶解于油中。此時(shí)注意觀察濾芯狀態(tài),要防止濾芯堵塞。

2)清洗油沖洗。預(yù)清洗結(jié)束舊油排放后仍有雜物殘留,此時(shí)加入低黏度的清洗油(成本低于工作油)進(jìn)行沖洗,同時(shí)觀察所排放清洗油的顏色,直至清洗油顏色清淡。

3)工作油沖洗。用清洗油清洗結(jié)束后,如果此時(shí)直接加入工作油,殘留的清洗油會(huì)稀釋工作油,影響潤(rùn)滑效果,因此需要用工作油沖洗一遍,盡可能洗出清洗油,減少殘留。

4)工作油加注。工作油沖洗結(jié)束,檢查齒輪箱濾芯、潤(rùn)滑管路無問題后,經(jīng)濾油裝置加注新的工作油至標(biāo)準(zhǔn)油位。加注完成,靜置30 min,待油泡消散后,啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)行。

經(jīng)過上述4步清洗后,齒輪箱內(nèi)部油污粘連情況基本消除,高速軸系運(yùn)行環(huán)境有效改善。

2.2 齒輪箱孔修復(fù)

傳統(tǒng)對(duì)軸承跑圈的處理并未關(guān)注齒輪箱孔的磨損問題。本文創(chuàng)新性利用金屬冷熔脈沖焊技術(shù),選擇同材質(zhì)焊材修復(fù)齒輪箱孔內(nèi)圈,保證軸承裝備精度,從根本上解決軸承跑圈問題。

1)表面處理。清理齒輪箱孔表面油污,利用千分尺、平口尺配合紅丹粉,參照基準(zhǔn)面測(cè)量磨損量,并做好標(biāo)記。

2)金屬焊接。為控制補(bǔ)焊量和研磨量,保證公差精度,分別選擇厚度為0.05、0.10、0.15 mm 3種規(guī)格的焊片,從缺損最多的位置開始補(bǔ)焊,將對(duì)應(yīng)的焊材利用冷溶脈沖焊機(jī)均勻密實(shí)地焊補(bǔ)在基體上,此時(shí)應(yīng)注意焊接速度不宜過快,同時(shí)要帶好防塵口罩,做好個(gè)人防護(hù)。

3)孔徑打磨。完成磨損量的補(bǔ)焊后,留出0.05～0.10 mm的加工余量,利用千分尺、研磨工裝在線研磨,恢復(fù)齒輪箱孔的尺寸和表面光潔度。該焊接方法利用了金屬冷溶脈沖焊技術(shù),同時(shí)借助了紅丹粉的助溶性,進(jìn)一步減少了焊接過程中產(chǎn)生的熱量和應(yīng)力集中,保證了焊接質(zhì)量。修復(fù)后的齒輪箱孔如圖6所示

圖6 齒輪箱孔修復(fù)

2.3 竄動(dòng)預(yù)警裝置安裝

高速軸竄動(dòng)后,傳統(tǒng)方式下齒輪箱并不能及時(shí)發(fā)出預(yù)警,繼續(xù)運(yùn)行,造成斷齒、齒輪箱損壞等擴(kuò)大性損失。針對(duì)這一問題,本文設(shè)計(jì)了一種高速軸竄動(dòng)預(yù)警裝置,避免設(shè)備隱患擴(kuò)大,相關(guān)設(shè)計(jì)示意圖如圖7所示。

圖7 預(yù)警示意圖

將動(dòng)臂式微動(dòng)開關(guān)(常閉觸電)串接到風(fēng)機(jī)安全鏈回路中,風(fēng)機(jī)齒輪箱正常運(yùn)行時(shí),微動(dòng)開關(guān)不動(dòng)作,一旦齒輪箱高速軸軸向移動(dòng),高速軸測(cè)速盤觸發(fā)微動(dòng)開關(guān),使得機(jī)組安全鏈保護(hù)回路觸發(fā),機(jī)組緊急停機(jī),達(dá)到了保護(hù)齒輪箱的目的。

3 維護(hù)保養(yǎng)前后對(duì)比

利用本文提出的軸承維護(hù)方法對(duì)某場(chǎng)站1.5 MW機(jī)組進(jìn)行潤(rùn)滑油路清理,在保證潤(rùn)滑油壓的同時(shí)進(jìn)行高精度對(duì)中,創(chuàng)新性開展齒輪箱清洗和齒輪箱孔修復(fù)工作。借助振動(dòng)分析儀[8]和高速軸溫度檢測(cè)儀獲得高速軸軸系的運(yùn)行情況對(duì)比結(jié)果,見表3。

表3 維護(hù)保養(yǎng)前后軸系運(yùn)行情況對(duì)比

由表可知,經(jīng)過本文提出的方法維護(hù)保養(yǎng)后的高速軸軸系運(yùn)行環(huán)境明顯改善,不同的運(yùn)行情況下,高速軸軸系運(yùn)行溫度平均低了10 ℃以上,振動(dòng)值低了0.03 mm/s2,有效提高了高速軸軸系的使用壽命。

4 結(jié)束語

綜上所述,要保證高速軸軸系良好地運(yùn)行,應(yīng)當(dāng)做好以下幾方面工作:1)隨時(shí)觀察高速軸軸系的潤(rùn)滑情況,及時(shí)檢查潤(rùn)滑油壓和油路,適時(shí)進(jìn)行齒輪箱清洗,確保油壓和油路正常;2)提高軸承裝配和對(duì)中精度,及時(shí)修復(fù)齒輪箱孔,安裝竄動(dòng)預(yù)警裝置,盡早發(fā)現(xiàn)高速軸軸系隱患,避免損失擴(kuò)大;3)運(yùn)用振動(dòng)分析儀對(duì)高速軸的運(yùn)行情況進(jìn)行輔助性檢測(cè),按照振動(dòng)分析儀的反饋信息進(jìn)行齒輪箱高速軸軸系治理。只要嚴(yán)格按照上述措施進(jìn)行保養(yǎng),就能延長(zhǎng)高速軸軸系使用壽命,做到經(jīng)濟(jì)與安全雙收益。