齒輪泵主軸承優化研究

劉家訟　些寧　張鵬

摘要：某大型石油樹脂三氯化鋁反應器循環泵為內嚙齒輪泵。在設備運行過程中，通過對設備運行狀況監測，發現該泵經常出現的故障主要有機泵主軸承磨損、主軸跳動大、運行過程中噪音過大以及偶爾發生機泵跳停情況等，給機泵的使用周期和聚合裝置的正常生產造成了一定影響。本論述通過對此類故障問題的分析，分析統計了因主軸承故障影響設備周期運行的各種因素，進一步通過優化主軸承等關鍵部件，解決了機泵出現故障的問題，避免了機泵運行周期過短情況，大大提高了設備的運行時間。

關鍵詞：主軸承;磨蝕;潤滑;運行周期

中圖分類號：TH38文獻標志碼：A

0 前言

內嚙齒輪泵是石化企業常用的設備之一，本論述描述的某大型石油樹脂三氯化鋁反應器循環泵為內嚙齒輪泵。設備型號：LL244，流量：60 m3/h，操作溫度：135℃，出口壓力：0.7 MPa，輸送介質：含三氯化鋁的聚合樹脂，生產廠家：VIKING 公司。該設備運行狀況基本穩定，通過對該設備的運行狀況監測，發現該泵經常出現的故障主要有機泵主軸承磨損、主軸跳動大、運行過程中噪音過大以及偶爾發生機泵跳停情況，以上問題已經給機泵的使用周期和聚合裝置的正常生產造成了一定影響。通過對此類故障問題的分析，解決因主軸承故障影響設備周期運行的各種因素，如分別在惰輪軸、主軸承增加介質自潤滑槽和增加螺旋潤滑油槽、或通過調整主軸承與惰輪軸間的間隙、對主軸承材質升級，通過對主軸承和惰輪軸等關鍵部件的優化，使機泵故障得到解決，大大提高了設備的運行周期。

1 生產原理概述

1.1 反應原理概述

芳烴在特殊酸（無水氯化鋁、氯化鋅、三氯化鐵、三氟化硼等）存在下發生的酰化和烴化反應。由熱聚單元來的合格類 DCPD 組分產品，在反應催化劑無水三氯化鋁的作用下，在三氯化鋁反應器反應聚合生成 C5粗石油樹脂。

單體在陽離子作用下，活化為帶正電荷的活性離子，再與單體連鎖聚合形成高聚物的化學反應，稱為陽離子型聚合反應。

聚合反應機理如下：

引發：A+M —M+ + A-

A：催化劑

M：烯烴單體

M+：帶正電荷的烯烴單體

A -：帶負電荷的催化劑

鏈增長：MX ++ M —MX+1+ MX +，MX +1+：中間聚合物

鏈終止：MX+1+ + A-—MX+1+A，MX+1：粗樹脂1.2 生產過程概述

貯存于常壓儲罐內的合格類 DCPD 組分，由 DCPD 儲罐泵送出，經進料預干燥過濾器過濾雜質后進入進料干燥床。DCPD 組分通過流量調節閥控制流量進入三氯化鋁反應器聚合成粗樹脂液，粗樹脂液經齒輪泵送至三氯化鋁反應器循環冷卻/加熱器，物料經過換熱后返回三氯化鋁反應器形成循環回路。催化劑緩沖罐中的三氯化鋁催化劑與樹脂油干燥床出口的樹脂油在自動加料系統的控制下，經充分混合后加注到三氯化鋁反應器循環管線上。三氯化鋁反應器的粗樹脂液通過上部溢流口流入后端反應器進一步聚合。

1.3 設備概述

內嚙齒輪泵結構由驅動齒輪、被動齒輪、月型板、泵殼等主要部件組成，其工作原理是，介質通過入口進、出口排出，其中入口與出口呈90°直角。在設備運行過程中，被動齒輪和驅動齒輪沿逆時針方向旋轉，通過不斷的齒輪與嚙合齒輪的脫離過程，將介質帶入左側的吸液腔，形成密閉的局部真空。隨著介質不斷的進入，吸液腔容積增大，內腔壓力也越來越大，在壓差的作用下，將物料不斷吸入。隨著液體介質在齒輪和泵殼間不斷的通過齒輪的旋轉推動前進，最終介質被推送至泵體上側的排液腔。隨著齒輪的旋轉，齒輪和嚙合齒輪逐漸嚙合，排液腔的容積不斷減小，內部壓力隨著逐漸增大，在壓差的作用下，齒輪間的物料被送出。

1.4 故障概述

三氯化鋁反應器循環泵輸送介質為熱聚反應物，其中包含三氯化鋁、樹脂油，粘度在87厘泊（cP） ，由于三氯化鋁不能被樹脂油充分稀釋混合，所以物料含有三氯化鋁顆粒。且三氯化鋁顆粒耐磨性極強，對齒輪泵主軸承內外表面損傷極大，造成齒輪泵不能長周期運行。在運行過程中，該泵經常出現機泵主軸承磨損、主軸跳動大、機械噪音超標或機泵跳停的狀況，已經給機泵的使用周期和聚合裝置的正常生產造成了一定影響。

2 故障原因分析

2.1 故障原因統計

通過對該內嚙齒輪泵運行狀況和檢維修狀況的長期監測，造成設備不能保證長周期運行的主要原因，絕大部分的故障是由于主軸承損傷造成。以 2018年為例，嚙齒輪泵全年檢修共計16次，其中減速機故障1 次，惰輪軸和被動齒輪軸間的主軸承故障8 次，機泵電機間聯軸器故障2 次，減速器間聯軸器故障3 次，彈性塊故障 2次，通過故障統計結果顯示，2018年主軸故障所占全年故障比例高達68%，其他設備故障均在合理范圍內。而某些故障，如彈性塊故障中的絕大部分也是由于主軸承故障導致主軸跳動超標引起的。因此，主軸故障是影響設備運行的一個重要的亟需解決的問題。

2.2 齒輪泵主軸承故障原因分析

通過對內嚙齒輪泵在運行過程中的故障分析，可以看出主軸承故障的比例是所有設備部件故障中最高的，因此如果想解決內嚙齒輪泵不能長周期運行的問題，首先要解決主軸承故障問題。被動齒輪與惰輪軸間的主軸承結構關系是惰輪軸為固定軸，在正常運行過程中，主軸承與被動齒輪是同步圍繞惰輪軸旋轉的。通過多次設備檢修打開的情況來看，主要出現如下幾種情況：（1） 主軸承經常出現與被動齒輪脫落的情況;（2）主軸承的內外側均有很嚴重的磨損和腐蝕痕跡。磨蝕達到一定嚴重程度時，主軸承會從均勻磨蝕轉變為機械部件的摩擦，主軸承會產生裂縫甚至出現斷裂情況。

2.2.1造成主軸承內側有嚴重磨蝕的原因分析

三氯化鋁反應器循環泵輸送介質為熱聚反應物，其中包含三氯化鋁、樹脂油，粘度在87厘泊（cP） ，由于三氯化鋁不能被樹脂油充分稀釋混合，產生了局部的三氯化鋁結塊，且顆粒狀三氯化鋁有極強的耐磨性。又由于惰輪軸外徑為φ64 mm，主軸承內徑為φ64.1 mm，配合間隙為0.1 mm，惰輪軸與主軸承的潤滑為介質自潤滑。因此，間隙過小，在介質自潤滑過程中三氯化鋁顆粒主軸承內側摩擦運動，對主軸承內側造成了磨蝕。 2.2.2造成主軸承外側有嚴重磨蝕的原因分析

由于在裝配形式上，主軸承與被動齒輪之間存在一定裝配尺寸（主軸承外徑為φ75.25 mm，被動齒輪內徑φ75.3 mm，配合間隙為0.05 mm），當主軸承在運行過程中，介質自潤滑效果不好時，此時由于運動的阻力隨著時間不斷增大，當阻力達到一定程度時，主軸承會脫離被動齒輪，并與被動齒輪作相對旋轉運動，造成了對主軸承外側的磨蝕。

3 解決方案及措施

為了解決主軸承磨損腐蝕問題，從提高潤滑性、增加抗磨蝕性方向入手，提出了6 個解決方案及措施：

（1） 提高惰輪軸的潤滑性，在惰輪軸增加介質自潤滑槽。利用設備結構將介質自潤滑提高潤滑壓力，增加潤滑流量。這是因為泵的出口及排液腔為高壓區，泵的入口及吸入室為低壓區。因此，從月型板中心線到惰輪軸中心加工一條φ8mm 的介質自潤滑出口線，從排液腔到惰輪軸中心加工一條φ10 mm 的介質自潤滑進口線，并在增加進口線和出口線的同時，在惰輪軸介質自潤滑出口處，增加一條長65 mm、寬10 mm 的介質自潤滑槽，惰輪軸和主軸承改造圖如圖1 所示。

（2） 通過主軸承結構的改變將三氯化鋁固體小顆粒誘導出軸承與惰輪軸工作接觸面，在主軸承增加螺旋潤滑油槽。考慮在主軸承加工一條寬1.5 mm，深0.5 mm 的螺旋潤滑油槽。這樣在主軸承運行過程中，物料在潤滑主軸承的同時，能夠保證將三氯化鋁固體小顆粒通過螺旋潤滑油槽誘導出去，能最大程度上保證主軸承與惰輪軸的工作接觸面上沒有過多的三氯化鋁固體小顆粒。

（3）由于惰輪軸外徑為φ64 mm ，主軸承內徑為φ64.1 mm，配合間隙為0.1 mm，惰輪軸與主軸承間的間隙過小，在介質自潤滑過程中三氯化鋁固體小顆粒對主軸承內側造成了磨蝕，所以適當增加間隙，可以減小對主軸承內側的磨損。將間隙從0.4 mm 按照0.05 mm 的放大量逐級進行放大，直至0.6 mm 。間隙與運行周期關系見表1 所列，記錄了不同間隙配合下，內嚙齒輪泵的穩定運行周期。由此可見，當惰輪軸與主軸承間的間隙為0.5 mm 時，齒輪泵的穩定運行周期是最長的，效果最好。因此，應將主軸承外徑加工至φ75.31 mm，配合間隙調整為0.01 mm，裝配工藝采用熱裝配。這樣就保證了主軸承與被動齒輪不作相對旋轉運動，避免了三氯化鋁固體小顆粒進入惰輪軸與主軸承間，大大減少了在介質自潤滑過程中三氯化鋁固體小顆粒對主軸承內側造成的磨蝕磨損。

（4） 適當改變主軸承材質，不同材質的抗磨蝕性是不同的，通過對改變材質后的監測結果比較，可以選出最優材質。材質與運行周期關系見表2 所列，分別采用了石墨、紫銅、黃銅三種材料作為主軸材質，進行性能比較。在同樣按照（1） （2） （3）方法改造惰輪軸和主軸承的情況下：石墨材質主軸承能使用23 d，紫銅材質主軸承能使用62 d，黃銅材質主軸承能使用151 d，由此可見，黃銅作為主軸承材質較為合適。

（5）三氯化鋁反應器將原有開放式投料改為密閉系統自動加入，能保證三氯化鋁在加入過程中不會與大氣中的水分反應，避免活性降低的三氯化鋁形成結塊，這樣反應器內介質會更加均勻，避免局部大量三氯化鋁固體小顆粒對齒輪泵惰輪軸和主軸承造成沖擊，這樣有益于齒輪泵長周期運行。

（6）在攪拌器電機有富余能力的情況下，調整三氯化鋁反應器攪拌轉速，將原有70 r/min 提高至90 r/min，也能使三氯化鋁與樹脂油充分稀釋混合，反應器內介質也會更加均勻，避免三氯化鋁顆粒結塊，也能避免三氯化鋁與樹脂油未攪拌均勻，局部的三氯化鋁固體小顆粒對齒輪泵的惰輪軸和主軸承造成沖擊，從而保障齒輪泵長周期運行。

4 整改措施后取得的效果

通過采取以上措施，提高了三氯化鋁反應器循環泵惰輪軸與主軸承的潤滑性，增加主軸承抗磨蝕性，通過優化改進的設備，解決了內嚙齒輪泵在運行過程中的主軸故障頻發問題。經監測，優化后的設備能夠持續穩定運行5 個月以上，這樣就大大減少了檢修頻率，保證了生產的連續穩定，同時節省了檢修人力和費用，達到了提高三氯化鋁反應器循環泵運行周期的目的。

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