船閘輸水系統反弧門吊桿關節軸承失效原因分析

郭棉明，李偉雄，景 慧

（中國長江三峽集團有限公司流域樞紐運行管理中心,湖北 宜昌 443133）

0 引言

鋼結構節點的疲勞破壞作為鋼結構失效的主要原因之一,已經在很多應用領域得到了研究,成為研究者廣泛關注的問題[1-4]。自潤滑軸承因具有結構簡單、緊湊、免維護、無需添加潤滑劑等諸多優勢,被作為重要的節點基礎運動部件,廣泛運用于各種極端環境中,例如深水環境、空間環境等。此類環境所表現出來的高壓力、高水頭、高低溫是目前研究者進行關節軸承研究所關注的重點。目前國內對自潤滑關節軸承在工業領域中的應用研究處于起步階段,尤其在關節軸承的疲勞壽命預測和失效機理探究等基礎性研究上較少。

1 工程概況

某水壩船閘是規模和級間水頭較大、技術較復雜的內河船閘,采用雙線連續五級布置,設計總水頭113 m,級間最大工作水頭45.2 m。船閘輸水系統采用在閘室兩側對稱布置輸水主廊道,輸水控制利用輸水工作閥門（為反向弧形門簡稱反弧門）啟閉實現,輸水閥門埋設較深,啟閉桿件長達七十多米,在高速水流作用下的閥門水動力學工況復雜,流激振動影響大。

該船閘反弧門示意圖見圖1,反弧門由門葉、支臂、支鉸梁等組成,由布置在閥門井頂部的豎缸式液壓啟閉機操作,啟閉機通過七節吊桿與反弧門相連,最上節吊桿與啟閉機活塞桿鉸接,最下節與閥門連接的吊桿為擺桿,其它各節吊桿間均為十字鉸接。啟閉反弧門時,吊桿沿埋設在混凝土墻上的導槽運動,垂直桿做勻速運動,閥門開度作非線性變化。動水開門,靜水閉門,在突發工況或控制閘室超灌超泄時動水閉門。啟閉機與吊桿、最下一節吊桿與上節吊桿連接處采用自潤滑球面關節軸承,型號為GE 260 TA-2RS。

圖1 反弧門示意圖

該船閘全年24 小時不間斷運行,每天穩定運行30 閘次左右,輸水閥門開關60 次,反弧門關節軸承每天動作60 次。運行十余年后,個別運行工況較惡劣的反弧門啟閉機油缸啟門力出現異常,在檢修時發現,反弧門的關節軸承已破損；擴大檢查后發現,除最上游閘室反弧門關節軸承工作時間較短,軸承潤滑層功能未完全失效外,其它關節軸承均已嚴重失效,其中最下游反弧門與下游航道連通,運行水流條件最為惡劣,關節軸承已破碎。發生損壞時軸承已運行約10 萬次,折合運行距離約480 km。為分析實際運行工況下船閘反弧門關節軸承的實際壽命,評判關節軸承更換周期,本研究通過反弧門啟閉力檢測、工況分析及軸承壽命計算,對高水頭船閘反弧門吊桿節點軸承失效原因進行探討分析。

2 啟閉力在線檢測

利用液壓測試儀對啟閉系統油缸壓力進行了采集和分析,將所測得的油缸壓強經計算公式轉換為啟閉力。由于船閘反弧門閉門過程中的閉門力主要依靠閘門自重,故測試只對油缸有桿腔（油缸拉力）壓力進行測試采集,測點示意圖見圖2。

圖2 反弧門油缸油壓測點示意圖

選取運行工況比較典型的Z2 和Z6 兩套反弧門為測試對象,測試時Z2 和Z6 上下游水位差分別為35 m、19 m。經過油缸油壓測試轉換到反弧門啟閉力曲線見圖3、圖4。

圖3 Z2 反弧門啟閉力曲線圖

圖4 Z6 反弧門啟閉力曲線圖

比較圖3 和圖4 的啟閉力曲線可知,測試工況下,兩套閘門的啟門時間均在4 min 左右,其中Z6 反弧門啟門時間稍短,為3.7 min。閥門啟閉過程中,兩套閘門時均動水啟門力均呈先升后降的變化規律,Z6 時均閉門力呈升-降-升的變化規律。這種規律考慮是反向弧形的門體結構形式在閥門運行過程中,門體受到了門井水流的較強作用力,導致閥門動水啟閉力有較大幅度的變化。閥門開啟過程中,門井水位持續下跌,支臂受下跌水流的作用力而使啟門力增加,Z2 反弧門啟門力峰值出現在t=80 s～90 s 范圍,為1618 kN,谷值為922 kN；Z6 反弧門啟門力峰值為1400 kN,谷值為907 kN。閥門關閉過程中的實際工作水頭已經較開門階段降低,動水閉門力峰值一般不超過動水啟門力峰值。由于Z2 的運行水頭較大,Z2 最大啟門力較Z6 大。

Z6 的啟門力隨著行程的增加而增大,運行至1/2 行程后,油壓出現明顯波動,閘門發生了較長時間的振動。閉門過程中,Z6 的振動更為明顯,Z2 的振幅更大。閥門系統中吊桿相比閥門可視為柔性構件,閥門則為剛度很高的構件,兩者組成了剛度懸殊的體系。閥門系統的低頻振動特性主要由吊桿支配。反弧門啟閉力谷值綜合考慮各種因素后應重點考慮避免關門過程中吊桿受壓,將可能導致軸承受壓[5]。

3 軸承壽命計算

該自潤滑軸承型號為SKF GE260 TA-2 LS,尺寸：d260 D370 B150 C110,基本額定載荷為動態4325 kN,靜態8580 kN。軸承材料為鋼/鋼材料及鋼/PTFE,基材為軸承鋼,自潤滑關節軸承襯墊粘結在關節軸承外圈內球面。

在考慮球面滑動軸承的壽命時應區分基本額定壽命與使用壽命。基本額定壽命是一個理論的指導值,用于估算使用壽命,使用壽命取決于實際的工作條件,是軸承在運行中達到的實際壽命。

基本額定壽命以大量實驗室測試為依據,通過對軸承運行測試軸承游隙或摩擦達到特定值的時間。基本額定壽命考慮到多種影響因素,以運轉小時數或往復擺動次數為單位。但有些情況下,污染、腐蝕、聯合動載等因素很難量化,球面滑動軸承在相同工作條件下可達到或超過基本額定壽命。

假定反弧門吊桿與擺桿之間的最大相對轉動角度為45°。在運行過程中,軸承內部的滑動速度為準靜態,得出滑動速度為0.002 m/s。

根據現場測試結果,得知軸承可能最大載荷為1600 kN。根據設計階段仿真及測試成果,交變頻率為3 Hz～5 Hz,工作溫度20℃。

軸承基本額定壽命可根據以下公式計算

式中：b1為載荷方向系數,定向載荷為1,交變載荷為2；b2為溫度系數,溫度小于120℃,為1；b3為滑動系數,直徑為260 mm,為3.6；b4為速度系數,滑動速度為0.002 m/s 時,為1；b5為擺動角系數,擺動角為45°,為10；p 為軸承給定載荷。

v 為平均滑動速度0.002 m/s。

計算得到軸承的基本額定壽命為：19273 h。

根據這款軸承在實驗室環境下理論能運行16542 h,開合總次數達545880 次,折算為24.8 年。

4 軸承失效原因分析

影響球面滑動軸承壽命的主要因素有負荷、擺頻、擺幅、軸承尺寸、材料與制造質量、環境與潤滑等,見表1。

表1 影響球面滑動軸承壽命的主要因素

根據計算,軸承的基本額定壽命較長,理論可達24.8 年。但是實際工況條件下影響關節軸承磨損的因素很多,主要包括速度、載荷、摩擦溫度、環境以及其他特殊工況條件,這些對關節軸承磨損性能有著重大的影響。有研究表明,隨著速度、載荷、摩擦、溫度的增加,工況條件的惡劣都將導致關節軸承的磨損加劇,磨損量增大[6]。

船閘輸水系統已投入運行近20 年,反弧門每天運行約60 次,使用時間長且運行頻繁。吊桿自潤滑軸承雖設置了外、內多道水封,首次檢修發現反弧門吊桿系統中的軸承內部密封已經不見,表明密封件超過壽命年限后已老化失效；水和泥沙等雜物進入軸和軸承間,改變了軸承工作環境,這是造成軸承及潤滑材料損傷失效的關鍵原因之一；反弧門啟閉過程中吊桿因高速水流作用、實際水流上下垂直方向運動卡滯等工況,帶給軸承瞬時高過載,以及啟閉力在谷值時,會導致吊桿及軸承直接受壓和加速磨損；失去密封保護的軸承長期在高速水流、交變載荷工況下很可能導致了內外圈相對偏斜,造成了受力的不對稱性,從而使內外圈接觸面端出現應力集中,有研究表明,當內外圈相對偏斜角達到1.5°時,其應力值最大。應力集中的出現可能增大了局部的接觸壓力,加劇自潤滑材料的磨損,造成關節軸承的過早失效。此外,檢修發現的反弧門及其吊桿系統出現吊耳孔變形、聯門軸與吊耳孔的間隙變大,軸端檔板銹蝕、變形、失效,甚至聯門軸脫落,導槽磨損等問題,可能也加速了軸承的損傷失效。

5 結論

通過船閘反弧門啟閉力檢測的方法得到了運行近20 年的反弧門啟閉力曲線,分析了吊桿系統及自潤滑軸承的實際運行工況；結合軸承理論壽命計算及實際運行工況,對自潤滑軸承失效原因進行了探討分析。免維護球面滑動軸承長期在高速水流條件下頻繁運行,內部、外部密封已老化失效,是軸承失效的重要原因；啟閉力幅度大、過載荷、吊桿系統振動等運行工況對軸承的疲勞壽命有著關鍵影響；鑒于軸承密封件是軸承在惡劣環境中正常運轉的關鍵部件。建議在今后的檢修工作中進行重點排查,并記錄歷次密封檢查（測）情況,找到可能的密封件失效點或周期,以達到指導運行、維護的目的。