滑動(dòng)軸承浮動(dòng)密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸發(fā)生相互磨損的原因與設(shè)計(jì)改進(jìn)

成玲燕，張變變，郭文文

應(yīng)用研究

滑動(dòng)軸承浮動(dòng)密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸發(fā)生相互磨損的原因與設(shè)計(jì)改進(jìn)

成玲燕，張變變，郭文文

（中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原 030027）

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸損壞，會(huì)直接影響電機(jī)的正常工作，甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)發(fā)電機(jī)滑動(dòng)軸承密封環(huán)磨損軸的故障現(xiàn)象及磨損機(jī)理的分析。經(jīng)過(guò)逐層排查確定磨損主要因素，并通過(guò)故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證因素的正確性，最后根據(jù)試驗(yàn)重新選定與轉(zhuǎn)軸相匹配的密封環(huán)材料，并提出改進(jìn)措施，徹底解決軸承密封環(huán)與軸發(fā)生相互磨損的問(wèn)題。

浮動(dòng)密封環(huán) 滑動(dòng)摩擦副 膠合磨損 匹配

0 引言

轉(zhuǎn)軸是電機(jī)重要的零件，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中各功能部件均安裝于轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)軸承實(shí)現(xiàn)其與定子的分離，保證轉(zhuǎn)子在定子之間的旋轉(zhuǎn)精度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電能的輸出。轉(zhuǎn)軸若損壞，會(huì)直接影響電機(jī)的正常工作，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。但近來(lái)在拆檢某型發(fā)電機(jī)滑動(dòng)軸承時(shí)，發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)軸承浮動(dòng)密封環(huán)與軸接觸的相應(yīng)位置處，軸表面出現(xiàn)了不同程度的磨損，且局部磨損嚴(yán)重。本文主要針對(duì)此故障現(xiàn)象及磨損機(jī)理，通過(guò)對(duì)可能造成磨損的原因進(jìn)行逐層分析，確定出主要原因，并根據(jù)磨損原因制定相應(yīng)的措施，經(jīng)過(guò)針對(duì)性試驗(yàn)找出與轉(zhuǎn)軸相匹配的摩擦副材料，重新對(duì)滑動(dòng)軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決軸承密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸磨損的問(wèn)題。

1 故障情況及機(jī)理分析

1.1 故障情況

某型配套滑動(dòng)軸承的發(fā)電機(jī)，在運(yùn)行1600小時(shí)后進(jìn)行拆檢，拆檢中發(fā)現(xiàn)軸承的浮動(dòng)密封環(huán)與軸接觸處發(fā)生了磨損，具體情況如下：

滑動(dòng)軸承浮動(dòng)密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸實(shí)際磨損情況見(jiàn)圖1。

觀察圖1發(fā)現(xiàn)與密封環(huán)接觸部位的軸表面存在多條不同程度的溝槽狀磨損，經(jīng)檢測(cè)，最嚴(yán)重的溝槽深度達(dá)到5～7 mm、寬度3～5 mm；圖2中浮動(dòng)密封環(huán)與軸上掉落的金屬微粒發(fā)生了膠合，密封環(huán)的溝槽內(nèi)粘面了金屬屑，密封齒發(fā)生了變形、碳化。

圖1 滑動(dòng)軸承浮動(dòng)密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸實(shí)際磨損情況圖

圖2 浮動(dòng)密封環(huán)

1.2 機(jī)理分析[2]

根據(jù)上述磨損情況分析，密封環(huán)與軸之間發(fā)生了粘附磨損，也即當(dāng)兩接觸表面作相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r，由于表面膜破裂固相焊合（粘著），使材料碎片從一個(gè)表面依附到另一個(gè)表面或再附著到原先的表面上，造成沿滑動(dòng)速度方向的表面劃痕損傷。這種損傷又叫膠合。

膠合對(duì)材料的表面有很大的損傷性，輕者產(chǎn)生磨蝕，重者產(chǎn)生嚴(yán)重焊接，甚至造成零部件報(bào)廢。引起膠合的原因通常有三方面：1）接觸處局部過(guò)熱；2）接觸處局部壓力過(guò)高；3）摩擦副材料不匹配。

2 故障原因分析及原因確認(rèn)

2.1 原因分析

根據(jù)上述磨損情況及發(fā)生磨損的機(jī)理，下面主要從結(jié)構(gòu)與材料匹配兩方面進(jìn)行原因分析，具體如下。

2.1.1結(jié)構(gòu)

1）結(jié)構(gòu)配合

SPSS19.0統(tǒng)計(jì),計(jì)量資料給予的檢驗(yàn)方式是t檢驗(yàn),計(jì)數(shù)資料則實(shí)施χ2檢驗(yàn),P<0.05顯示差異顯著。

電機(jī)用滑動(dòng)軸承浮動(dòng)密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸、軸承座之間均為間隙配合，具體數(shù)值見(jiàn)表1。密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間的配合間隙小于密封環(huán)與軸承座之間的配合間隙。在正常裝配情況下，密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間沒(méi)有相互作用力，密封環(huán)由于自重作用，會(huì)輕搭在轉(zhuǎn)軸上，與軸有輕微接觸，防止漏油，滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)軸承的密封要求。但因密封環(huán)材質(zhì)輕，又是輕搭在轉(zhuǎn)軸上，雖與軸有輕微摩擦，卻不會(huì)與轉(zhuǎn)軸發(fā)生相互磨損。

表1 某型產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)值 單位：mm

結(jié)論：結(jié)構(gòu)配合設(shè)計(jì)是合理的，不會(huì)造成兩者磨損。

2）裝配工藝性

密封環(huán)為兩半環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，外圈處有一定位凸臺(tái)、彈簧槽，裝配時(shí)兩半環(huán)由彈簧固緊為一整圓輕搭在轉(zhuǎn)軸上，密封環(huán)的定位凸臺(tái)插入上軸承座的凹槽內(nèi)以防止密封環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 密封環(huán)

但由于密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸、軸承座之間均為間隙配合，三者之間沒(méi)有可靠的精確定位。而且上軸承座與密封環(huán)之間為盲裝，特別是由于密封環(huán)上定位凸臺(tái)的存在，且密封環(huán)的定位凸臺(tái)裝配位置又是位于上軸承座的頂部，所以更增加了裝配難度，使得軸承密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸軸線(xiàn)的裝配垂直度很難保證。如果裝配稍有不慎，就很容易磕碰、擠壓密封環(huán)，造成安裝不良，使密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間出現(xiàn)局部受壓點(diǎn)。在軸承裝配完成后，質(zhì)檢人員又無(wú)法對(duì)密封環(huán)的裝配位置進(jìn)行檢測(cè)，因此也無(wú)法對(duì)裝配過(guò)程中密封環(huán)可能出現(xiàn)的卡滯情況進(jìn)行及時(shí)糾正。這種裝配工藝性設(shè)計(jì)不但增加了裝配的難度，還可能會(huì)使密封環(huán)在裝配中提前受力，與軸發(fā)生摩擦。

結(jié)論：密封環(huán)裝配工藝性差，裝配完成后，密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間可能會(huì)存在局部擠壓情況。

2.1.2材料

浮動(dòng)密封環(huán)為YS-20可溶性聚酰亞胺復(fù)合材料和玻璃纖維熱壓成型，是滑動(dòng)軸承中常用的一種密封材料，已在我廠幾十、上百型電機(jī)上配套使用，其性能檢測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 兩種材料檢測(cè)值

為了查明轉(zhuǎn)軸與密封環(huán)磨損原因，我們分別對(duì)多型正常運(yùn)行大于1～2年以上。應(yīng)用YS-20可溶性聚酰亞胺復(fù)合材料為密封環(huán)的滑動(dòng)軸承電機(jī)進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)所有與本項(xiàng)目電機(jī)采用相同材料的轉(zhuǎn)軸表面均有不同程度的磨損，密封環(huán)上也有膠合現(xiàn)象，其余材料的電機(jī)轉(zhuǎn)軸與密封環(huán)處兩接觸面之間均無(wú)類(lèi)似磨損現(xiàn)象。

對(duì)比各軸材料發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目電機(jī)軸材料中多一種合金元素-Ni。查相關(guān)資料知[1]，材料中填加Ni元素，能使鋼強(qiáng)化，可改善鋼的低溫性能，特別是韌性，還可提高鋼的淬透性，鋼的抗銹性也很強(qiáng)。但在高溫高壓下氧介質(zhì)的抗腐蝕能力無(wú)明顯效果，反而會(huì)造成脫碳促使鋼腐蝕破裂。

根據(jù)故障原因分析可知，在滑動(dòng)軸承裝配中，浮動(dòng)密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸接觸處極有可能出現(xiàn)局部的相互作用力，因接觸面積小，兩者之間會(huì)產(chǎn)生很高的壓力。由表2知，密封環(huán)在輕微壓力下摩擦系數(shù)為0.38，并且在壓力增大的情況下還會(huì)逐漸增大，但其導(dǎo)熱系數(shù)較小，導(dǎo)熱性能較差，所以在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，兩接觸面處由于摩擦?xí)l(fā)熱，熱量逐漸累積導(dǎo)致局部高溫，致使轉(zhuǎn)軸局部脫碳破裂、脫落。而密封環(huán)材料在高壓、高溫下容易軟化變形，將轉(zhuǎn)軸上脫落的金屬碎片粘結(jié)吸附到其內(nèi)圓表面，使得此處滑動(dòng)摩擦副變?yōu)榻饘倥c金屬的摩擦。如此形成惡性循環(huán)，轉(zhuǎn)軸上掉落的金屬碎片越來(lái)越多，密封環(huán)上吸附的碎片也越來(lái)越多，密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間發(fā)生了膠合磨損，使軸上產(chǎn)生的磨損溝槽也越來(lái)越深。

2.2 原因確認(rèn)

經(jīng)過(guò)上述原因分析認(rèn)為，造成轉(zhuǎn)軸磨損的主要原因?yàn)椋?/p>

1)結(jié)構(gòu)裝配工藝性較差；

2)兩種材料作為滑動(dòng)摩擦副不相匹配。

3 與轉(zhuǎn)軸相匹配的摩擦副材料

為了驗(yàn)證上述磨損原因的確定性并重新選擇與轉(zhuǎn)軸相匹配的滑動(dòng)摩擦副材料，工廠制作了一根與本項(xiàng)目電機(jī)轉(zhuǎn)軸材料、性能、配合相同的假軸，并選定三種常用不同材料的密封環(huán)（見(jiàn)表3），其中一種為上述磨損用密封環(huán)材料，在加壓與正常兩種不同狀態(tài)下進(jìn)行了試驗(yàn)，其試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

表3 不同材料的密封環(huán)分類(lèi)

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

注：從頂針往卡盤(pán)依次為組1、組6、組2、組3、組5、組4）

試驗(yàn)時(shí)，6組在同一軸上同時(shí)進(jìn)行，轉(zhuǎn)速1500 r/min，持續(xù)運(yùn)行50 h，同時(shí)每隔1小時(shí)測(cè)量一次假軸的溫度。假軸溫度穩(wěn)定后每間隔3小時(shí)測(cè)量一次假軸溫度，假軸的溫度最高為55°C，最終穩(wěn)定在30°C左右。試驗(yàn)結(jié)束后，轉(zhuǎn)軸表面如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果

注：從左到右依次為組1、組6、組2、組3、組5、組4

檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸檢查結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：

a）YS-20可溶性聚酰亞胺復(fù)合材料密封環(huán)無(wú)論在正常安裝還是加壓安裝條件下，轉(zhuǎn)軸均有不同程度的磨損，而密封環(huán)均無(wú)明顯磨損。

b）聚四氟乙烯材料密封環(huán)在兩種安裝條件下，密封環(huán)均有不同程度的磨損，轉(zhuǎn)軸均沒(méi)磨損現(xiàn)象，但聚四氟乙烯在轉(zhuǎn)軸上有不同程度的附著殘留。

c）銅材料密封環(huán)在兩種安裝條件下，密封環(huán)均有不同程度的磨損，但轉(zhuǎn)軸均未發(fā)生磨損現(xiàn)象。

綜合比較分析，YS-20可溶性聚酰亞胺復(fù)合材料密封環(huán)與本項(xiàng)目轉(zhuǎn)軸作為滑動(dòng)摩擦副匹配性不好，材料為銅的密封環(huán)要更適合于與本項(xiàng)目電機(jī)轉(zhuǎn)軸匹配，所以改進(jìn)方案中選定銅作為本項(xiàng)目滑動(dòng)軸承的密封環(huán)。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)中將密封環(huán)材料更換為銅，并且為了避免密封環(huán)在裝配過(guò)程中提前受力，密封環(huán)結(jié)構(gòu)由原先的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)改為止口裝配結(jié)構(gòu)。如圖6所示，密封環(huán)制作成刀口形式，鑲嵌在密封蓋上形成若干道密封齒，并在密封環(huán)密封面直徑處增加同軸度要求，以保證密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸配合處的裝配精度。

圖6 發(fā)電機(jī)軸承銅刀密封結(jié)構(gòu)圖

5 驗(yàn)證

將優(yōu)化后的軸承裝于電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，時(shí)間24 h，試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)軸承溫升。試驗(yàn)完成后進(jìn)行拆檢，檢查轉(zhuǎn)軸與軸承密封環(huán)處配合情況，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

隨后工廠又對(duì)所有與本項(xiàng)目電機(jī)轉(zhuǎn)軸材料相同的電機(jī)滑動(dòng)軸承進(jìn)行了更換處理，并對(duì)所有更換軸承的電機(jī)進(jìn)行了為期2～3年的跟蹤、記錄，電機(jī)均未出現(xiàn)磨損，轉(zhuǎn)軸與密封環(huán)的相互磨損現(xiàn)象得到了徹底解決。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述分析論證，徹底解決了滑動(dòng)軸承密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸相互磨損的問(wèn)題。同時(shí)，也警醒我們，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸材料發(fā)生改變時(shí)，必須對(duì)所有配合處的滑動(dòng)摩擦副材料進(jìn)行滑動(dòng)摩擦驗(yàn)證，以選定相匹配的摩擦副材料，防止類(lèi)似問(wèn)題的發(fā)生。

[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[2] 楊秀山. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 山西: 山西高校聯(lián)合出版社, 1992: 37-38.

Cause analysis wear between sliding bearing floating seal ring and rotating shaft and design improvement of the seal ring

Cheng Lingyan, Zhang Bianbian, Guo Wenwen

(CSIC Electrical Machinery Science and Technology Co., Ltd., Taiyuan 030027, Shanxi, China)

TM303

A

1003-4862(2022)02-0019-04

2021-03-25

成玲燕（1971-），女，高級(jí)工程師。研究方向：電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail: 773627325@qq.com