大型水泵軸瓦摩擦失效原因分析與技術改造

陳天雄

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

引言

本文所介紹的調水輸水工程全線干、支、斗渠1391條2422 km，且本次所介紹的泵站為該輸水線路中的二期一泵站，設計流量為28.6 m3/s，加大流量33 m3/s，裝機容量為5520 kW。該泵站每年運行時間為10個月，年調水量為3.6億m3，對于該區域的水資源調用與供應具有著十分重要的意義。但是在2019年8月份，泵站的3號主機組水泵運行時間不到2000 h就出現了水導軸瓦和軸套之間摩擦損壞事件，不僅影響了整個設備的可靠運行，同時也影響了整個泵站的順利運行。由此需要對該故障進行深入分析之后，找到產生故障的原因，保證機組與泵站的安全、長期運行。

1 泵站設備概況

該泵站共設置11臺單級雙吸臥式離心泵，1、6兩套調整裝置，單機設計流量3.44 m3/s，水泵采用HS1200-1000-1000A型單級雙吸臥式離心泵，并配有YL560—12型異步電動機，電機額定輸出功率1600 kW，泵軸長度4.3 m，軸直徑160 m，在離耦合器3.6 m的地方設置了一個液壓軸承套。

2 故障現象探究

采用安徽三聯泵廠生產的HS1200-1000-1000A系列單段雙吸式水平離心泵，該離心泵的設計設計流量為12391 m3/h，揚程62 m，旋轉速度730 r/min，葉片的外徑0.992 m，質量8600 kg，輸出寬0.174 m，輸出壓力0.6 MPa。南陽防爆機械設備制造的循環泵馬達。整體的流動布局是：進水管、擴張節、大小頭、循環水泵、出口大小頭、膨脹節和多功能斜板閥門等，見圖1。

圖1 循環水泵整體布置圖

根據機泵的調試和調試的需要，本系統需要電動機進行單次試驗2 h，并與泵進行4 h的聯試。在電動機的單次試驗中沒有出現任何的故障。在兩次聯合試驗中，在起動后，出現了水泵本體和電動機的位移，電動機的傳動端燒瓦，軸承箱內的機油變色，軸承箱內的高溫達到100℃。安裝在泵體內的百分數計表明，在這兩個實驗中，整個泵身都向進口方向偏斜，各位移1.7 mm和0.11 mm。

3 故障產生原因計算分析

3.1 故障原因原理分析

在對該循環水泵進行聯機試驗之后，共發生過燒瓦事故多達8次。在此過程中，通過更換潤滑油，加固泵體，對電機基礎進行二次注漿，但其收效并不令人滿意[1]。對以往電動機軸承軸承的高溫磨耗進行了研究，結果表明：在循環泵起動載荷的過程中，軸承軸承的溫度會隨著負載的下降而下降，軸承的磨損也會得到改善。從循環泵軸的結構特征可以看出，在電動機的轉子發生大直徑的徑向竄動時，電動機的軸肩和軸套的推進器產生了摩擦，從而使軸承的溫度上升。

針對循環泵的應力問題，從根本上解決了燒瓦問題，并找到造成抽油機偏轉的真實原因。循環泵在負載作用下，其內部壓力達到0.6 MPa左右，在豎直方向上是密封的，內部壓力可以互相抵消。在橫向上，當水泵的排出水流經過排水管彎管時，水流的流向發生了改變，從而使排出水管內的壓力增大，從而使排水管內的水流發生反向作用。由于不能對流體進行擠壓，所以壓力會被直接作用在泵體內，從而產生了一種“盲板”力。

本次將整個泵體作為一個需要計算的質點，基于垂直方向的受力分析，該質點所受到的是泵體自身的重力G泵和地腳螺栓對于泵體的預緊力F螺，以及在向上的位置受到了基礎對于泵體的支撐力F基礎。而在水平方向的受力分析中，泵體受到徑向荷載所產生的徑向力F徑向、入口膨脹節對于泵體整體的推力F入口以及出口膨脹節對于整個泵體的拉力F出口、出口流體對于整個泵體的盲板力F盲板。如果此時泵體發生移動的現象，那么其本身還會受到地面與其之間所產生的摩擦阻力F摩擦。

3.2 故障原因計算分析

3.2.1 徑向荷載的計算

循環泵等效動力負荷包括了軸向加載和輻射加載，因為其結構的對稱性，一般不會產生軸向作用力，并且在這個例子中僅涉及到徑向負載。

本次案例中的徑向荷載F徑向重要包含兩種形式。

1）泵體自身的徑向力，該力通過對該泵體設計手冊進行查閱之后可得到其徑向力的公式：

式中：Kr為試驗系數，其表示為Kr=0.36［1-（Q/QN）2］；H為為揚程；D為葉輪的直徑；B為出口的寬度；Q為實際流量；QN為最高效率點的流量，本次將Q取值為額定值8000 m3/h，QN=9194 m3/h，那么此時的Kr=0.0874。通過各項數據的帶入，最終得出F1=9176 N。

2）由葉輪的不平衡質量所導致的離心力，該離心力的數值可根據下面公式計算：

式中：R為葉輪的半徑；n為葉輪的轉速；Gc為最大半徑位置的參與不平衡質量。在咨詢該機泵生產廠家之后了解到Gc=30.1 g。計算得F2=8946 N。

綜上，泵體所受到的徑向荷載F徑向=F1+F2=18122N。

3.2.2 出入口的法蘭受力計算分析

對膨脹節設計的相關資料進行查找，明確本次膨脹節的楊氏模量為1.77×105MPa，當泵體發生2 mm的位移時，可以得到其具體的計算結果：

在上述計算中可以明確的是，計算值要遠遠小于徑向荷載的計算值，所以可以將泵體受到的入口法蘭的推力忽略不計。

3.2.3 計算摩擦力

本次本體采取的是M24地腳螺栓，經過對其螺栓擰緊的力矩表可以明確看到，每一個螺栓的預緊力大約為1176 N，因此所有8個螺栓預緊力應當為9408 N。在泵體與地面發生相對位移時，會產生動摩擦力，該摩擦力的計算公式為：

式中：μ表示水泥地面的動摩擦系數，取0.3，m表示泵體自身的質量。

3.2.4 盲板力的存在與影響

盲板力計算公式為：

式中：P為管道出口的壓力值，取0.6 MPa；A為管道出口的截面積，取1.77×106mm2。

由此盲板力為：

由此根據上述的計算過程可以明確了解到，此時的泵體所受到的盲板力要遠遠大于摩擦力，該盲板力導致泵體產生位移，方向為出口→入口，電機軸瓦上受到了軸體的直接作用力，最終導致軸瓦過載，燒瓦問題發生。

4 改造與更新方案探討

在機泵工作時，油管上的油膜壓力是一個無法更改的數字。然而，可以通過調整泵本體的受力狀態來阻止其發生偏移，以減小其對馬達軸承的損壞。

1）為了防止水泵受到壓力而產生位移、變形，采用泵身底座的方法將兩片板之間采用槽鋼焊接。

2）更換用于輸出波浪形節節的碳鋼節段，并將泵身和管道彎頭進行剛性聯結，以均衡盲板作用力對泵本體的作用。

通過以上幾種方法，通過對泵本體的應力分析，得出了泵體和輸油管線是一體的，其受到的閉板壓力和輸油泵本體的張力是均衡的，沒有產生任何的變形。該設備已成功地修復了電動機的軸承磨耗問題，并取得了較好的效果。下面我們就具體的更新與改造措施分析來詳細探討。

5 改造更新技術實施

5.1 摩擦副材料選擇

1）軸瓦的內襯材料選擇。軸承襯套選用了白塞隆材質，它的優勢在于：塞隆是一種三段交聯的熱固化型樹脂，具有良好的自我恢復能力和良好的彈性，耐沖擊力強，能承受碰撞載荷，不易永久性的變形，對淤泥、污垢等不起作用[2]。采用賽龍水潤滑的軸承，其動態摩阻因數分別為0.0207～0.0381和0.05～0.09之間。在低速時，因不存在液體動壓式潤滑，故其摩擦因數高，在某一速度下，以液體內部的摩擦力為主，并以液體中的摩擦力為主，使其具有較大的摩擦力。賽龍是一種均勻的材質，在工作時不會產生物料脫落和膠合磨損，賽龍在沒有水分的情況下，它可以在30～120 s之間工作。該產品具有化學性質穩定、耐污、抗干性好、不受貯存時間的制約。

2）軸套材料的選擇。高的強度，耐磨的金屬材質是耐磨的白口鑄鐵；高錳鋼耐磨材料，低合金耐磨鋼，高碳高鉻馬氏形鋼，不同材料的化學組成、組織和性能不同，適用于不同的使用場合[3]。高碳高鉻馬氏體不銹鋼，其耐磨性能好，在大氣、水、某些酸性、鹽等水介質中均表現出優異的抗腐蝕性能，故選用高碳高鉻馬氏體不銹鋼為其加工原料，其鋼號為95Cr18。經過淬火和低溫回火，回火后的顯微結構為馬氏體+彌散性的碳化物+殘余奧氏體，其硬度可達到62～66HRC。用95Cr18制作的軸承襯墊比塞隆襯墊具有更好的磨擦效果。

5.2 軸套與軸瓦加工

1）軸套加工。9Cr18馬氏體不銹鋼中的碳含量很高，所以在進行軸承的熱處理過程中，首先要避免發生硬化開裂。采用適當的加熱器、控油、適時回火等方法來預防和預防淬火開裂。二是要對奧氏顆粒進行冷卻處理。為了加快殘余的殘余奧氏體的降解，采取了先淬火，然后進行冷卻后的回火工藝。保留了部分奧氏體，增加了軸承的硬度，確保了軸承在工作中的組織和大小的穩定。

2）軸瓦加工。在軸套的制造過程中，必須對軸承的軸距進行嚴密的調整。空隙大、工作條件不穩、振動大；空隙太少，水分太少，干燥磨耗太久。賽龍物料在干工況下溫度達105℃以上，在60℃以上的水力工況下，物料的表層會出現一定程度的軟化，隨后會出現均勻的斷裂性，從而導致失效[4]。間隙的調節有兩個主要的影響：在考慮到塞隆物料的水分含量后，賽龍軸承在吸收水分后，其容積會有輕微的脹大，其加水量比為1.3%，以確保在使用過程中，最小的工作空間。在設計時要充分利用泵的主軸擺角，并預留適當的空位。

6 結語

基于本文對某大型水泵中的循環水泵電機軸瓦與軸套之間磨損和二者之間摩擦失效的相關措施分析，希望本文所提出的相關措施能夠為同類工程提供一些有效的解決建議，保障泵站的安全、穩定運行。