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立式水泵推力軸承磨損潤滑與對策(上)
后退大型立式水泵的推力軸承,是應用液體潤滑承載原理的機械結構部件,主要由推力瓦、鏡板、推力頭、冷卻器等部件組成。推力瓦是推力軸承中的重要部件,它是整個機組轉動部分和固定部分的摩擦面,并且承受整個機組轉動部分的重量和軸向水推力。軸承運轉時,要求各軸瓦均勻地承受推力負荷,如果各軸瓦受力不均,將產生較大溫差,造成個別軸瓦溫度增高,瓦面變形磨損增大,影響機組安全運行。在額定工況下,推力瓦溫度不得超過70℃,但如能使各推力瓦受力均勻,則可提高推力軸承的承載能力,減緩推力瓦磨損及熱變形,同時也防止鏡板的磨損,提高設備運行的穩定性,所以,除設計和制造上必須保證其必要的條件外,安裝、檢修、維護調試對機組綜合性能起著重要的作用。
2、推力軸承要保證在油潤滑條件下運行,必須使出油邊的最小油膜厚度,符合設計值(如:大型機組推力軸承油膜厚度一般在0.03∽0.07mm之間)。這就要求鏡板有較高的精度和較低的粗糙度,如果鏡板的粗糙度高,則軸承摩擦損耗增大。鏡面如有傷痕或銹蝕等缺陷,則可能破壞油膜,甚至造成燒瓦事故。所以,鏡板研磨、推力瓦刮削以及對鏡板、推力瓦的檢修調整工作就顯得十分重要。另外,要求鏡板保證其波浪度,其平行度根據不同的機組一般為0.02mm/m,推力瓦之間相互高差一般控制在0.02mm之內,即要求推力瓦的平面度與鏡板的平面度相近才行。如果,鏡板與推力瓦的平面度不好,其偏差超過了最小油膜厚度,會破壞推力瓦與鏡扳之間所建立的油膜。推力軸承就會在半干摩擦或干摩擦狀態下運行,造成燒瓦事故或瓦面損壞。此外,推力瓦的受力也與它本身的平行度直接相關,只有接觸面積大,才能使推力瓦承受較大的壓力。如果,推力瓦凸凹不平,具有局部高點,受力集中,也會發生燒瓦事故或瓦面嚴重磨損。
推力軸承按其支柱形式不同主要分為剛性支柱式、液壓支柱式、平衡塊式三種,因立式水泵與水輪發電機組相比,畢竟軸向負荷較小。所以,大型水泵普遍所采用的是剛性支柱式,它的缺點主要集中為檢修后或安裝調水平難、受力不易調整,調整工作量大,運行時各瓦塊的負荷不均(這種現象主要是安裝、加工、調整引起的)。推力瓦是推力軸承中的主要部件,呈扇型分塊式。一般在軸瓦的鋼坯上澆注一層厚約5mm的錫基軸承合金,由于軸瓦受力不十分均勻,盡管軸瓦的底部有托瓦(均勻受力,減少變型),但水泵經過長期運行,還是不可避免地出現磨損變形。如下圖所示為推力瓦磨損變形的痕跡
2、從以上瓦面磨損情況可以看出,磨損有一定的規則性,那么為什么會出現如上圖的磨損劃痕呢?經過長期檢修觀察,總結分如下原因。
(1)前面我們已經介紹過,保證機組啟動時,在推力瓦面與鏡板之間應迅速建立起油膜,并在機組運行時,始終保證有一定的油膜厚度而不被破壞,才能保證機組安全可靠的運行。事實上當鏡板與瓦面相對旋轉時,將潤滑油帶進鏡板與推力瓦的接觸面間,形成一層油膜,使鏡板與瓦面之間形成液體摩擦。進油側比出油側油膜厚,即形成楔形油膜。也就是說,機組在正常運行時,通過鏡板傳遞的軸向力(包括轉子重量、軸、鏡板重量等),是通過鏡板與推力瓦之間的高壓油膜而傳遞給推力瓦承受的。即機組正常運行時,由于油膜的作用,使靜止與轉動部分兩平面之間通過油膜而分開,鏡板是懸浮在推力瓦上,而并非處于半干摩擦或干摩擦狀態,如果處于半干摩擦或干摩擦狀態,則會發生嚴重的瓦面磨損或燒瓦事故。(2)鏡板是推力軸承的關鍵部件之一,當軸承運行時,油膜厚度只有0.03∽0.07mm。因此,要求鏡板有較高的精度和較低的粗糙度。
第一、鏡板的粗糙度高,軸承的磨損增加;鏡板表面有傷痕、硬點、毛刺等缺陷,輕則致使鏡面出現磨痕,而影響推力瓦,重則破壞油膜出現事故,這是鏡板表面出現劃痕的原因之一。
第二、鏡板采用45號鍛鋼制成,兩平面的硬度值一般為180∽220HB,鏡面硬度差值小于30HB。但個別鏡板,因剛度偏小,在長期運行后產生微小變形,且鏡板在制造加工過程中不可避免地產生波浪度。如若潤滑油過濾不夠,或油槽中有雜質,則其中的雜質顆粒在運行中沿油流方向,懸浮運動并恰好懸浮至鏡板波浪度的波峰處時,不可避免地在鏡板與推力瓦瓦面上產生劃痕。因推力瓦瓦面采用鋼瓦坯面加工鳩尾槽澆鑄巴氏合金,故其硬度低,易引起劃痕。這也是產生磨痕、劃痕的原因之一。
第三、因軸瓦與巴氏合金不脫開,由于鋼和巴氏合金的熱膨脹系數不同,受熱后易變得起伏不平,特別是在鳩尾槽處的合金有明顯的凸起。另外,由于剛性支柱的托瓦剛度太大。一方面可減小機械變形,另一方面由于瓦的變形會在托瓦的對應方向的瓦面上產生磨痕,這也是瓦面產生磨痕的一個重要因素,同時也嚴重影響著鏡板工作面,這一點往往被人們所忽視。以上三點,是影響鏡板工作面的主要因素。
(3)在每次設備檢修時,都要根據磨損情況,進行推力瓦的刮研,而推力瓦刮削一般要求達3∽5點/平方厘米,且刀花的深淺分布要符合質量標準要求。如刮削時有毛刺或高點,也會向上述所分析的那樣在波浪度的波峰處產生磨痕或劃痕。
(4)還有如下因素加之如上所述的一些不利因素并和這些因素相結合,也會導致鏡板及推力瓦的磨損或出現劃痕,即:
a 、卡環厚薄不均,影響推力頭平面與主軸的垂直度。這一點如不是首次安裝一般不會出現,但在特殊情況下也會出現。
b、推力頭底面與主軸的垂直度不好。
c、推力頭與鏡板之間絕緣墊厚薄不均,即:加墊不合理或在檢修時未將上次的絕緣墊進行登記復原而加錯墊。所以在檢修時一定要嚴格檢修工序工藝,加強責任心。
d、鏡板精度不夠,平行度較差。
e、電機主軸法蘭與水泵泵軸法蘭面不平行,主軸與法蘭面不垂直。
f、鏡板、推力頭與主軸的垂直度不夠。
(5)推力瓦瓦面的劃痕、磨痕產生的原因在上面進行了分析,但還有一個重要的因素,即如下圖所示瓦面偏心處的圓形磨痕是怎樣產生的呢?
a、根據監測推力瓦在正常運轉時進油溫度一般為36℃,平均出油溫度一般為51℃,參照如下圖瓦溫場。
b、剛性支柱式推力軸承在正常運行時,支柱螺栓支承部位的溫度較高,促使支承中心處的瓦面因溫度的升高而變形凸起,如下圖。瓦面熱變形導致瓦面單位壓力增大,容易使瓦面磨損或燒瓦,瓦面磨損的部位正是受力集中的部位(高溫度場區),即支柱托瓦的周圍線附近。支柱托瓦直徑的大小,就是瓦面磨損的圓形磨痕,正是瓦面熱變形后,支柱托瓦抵抗變形而產生的。
(6)避免水輪機運行
水泵在停止運行以后,如若泵出口的逆止閥關不嚴或液壓控制蝶閥關閉不到位,則倒泄水流加大。水泵開始反轉并逐漸加速,水泵中水壓也不斷升高,倒泄水流很快達到最大值,反轉速也因而上升。但隨著葉輪轉速的升高,它作用于水的離心力也越來越大,從而阻止水流倒泄,倒泄流量降低,引起管中正壓水錘,反轉速達到最大值,倒泄流量繼續減小,由于倒泄流量繼續減小,反轉速從而降低。但水泵在無任何負載的情況下空轉,即低速運轉時間較長,推力油膜厚度被破壞,致使推力瓦與鏡扳處于半干摩擦狀態,加速軸瓦、鏡扳的磨損和軸瓦的熱變形,而使推力瓦磨損加重,從而導致鏡扳進一步磨損。在正常水泵工況下,由于水泵慣性較大,水泵在停泵后,低速正轉時間較長,也是引起推力瓦磨損的原因之一,但主要是應避免在水輪機工況下空轉(即反轉)。可以認為,危險油膜厚度不完全取決于推力軸承是否處于半干摩擦狀態,而在于這種狀態所持續的時間長短。所以,不論是啟動、停機,均要求水泵機組能迅速地度過半干摩擦狀態,盡可能地縮短機組在此狀態下運轉時間,無疑是很重要的。
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