多級離心泵滑動軸承溫度高原因分析及處理方法

劉兆，張錦泉

（蘭州石化公司機(jī)電儀運維中心，甘肅 蘭州 730060）

1 概述

某煉油廠150AYII67*6 型多級離心泵運行時滑動軸承溫度高，并曾發(fā)生過滑動軸承燒毀故障，設(shè)備拆檢后復(fù)查各部尺寸未見異常，最后確定為滑動軸承潤滑不良造成溫度高。

2 離心泵工作原理

多級離心泵包括了吸入室、蝸室、葉輪、壓出室、軸及軸封等。輸送流體通過吸入室進(jìn)入泵頭內(nèi)，驅(qū)動設(shè)備帶動主軸、葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪的輪片驅(qū)動輸送流體與葉輪一起旋轉(zhuǎn)，從而增加輸送流體的壓力能量和動力能。輸送流體由葉輪中心向葉輪外緣流動，流體的動力能逐漸變大，并在流出葉輪的瞬間動力能達(dá)到最大，然后進(jìn)入蝸室，輸送流體的動力能逐步降低，將大部分動力能轉(zhuǎn)換為壓力能，經(jīng)過壓出室時動力能被進(jìn)一步降低，輸送流體的壓力繼續(xù)升高，達(dá)到需要的壓力后將介質(zhì)壓入泵的排出管道最終到達(dá)目的地。同時，葉輪入口由于輸送流體的排出而形成低壓區(qū)，甚至呈現(xiàn)真空趨勢，吸入口液體池中的液體在液面壓力和葉輪入口處負(fù)壓的雙重作用下，輸送流體將通過吸入管路至葉輪入口。當(dāng)設(shè)備連續(xù)運轉(zhuǎn)時，葉輪入口不斷吸入輸送流體，并不斷利用葉輪邊緣將流體送出，實現(xiàn)離心泵對輸送流體不間斷運送。

3 多級離心泵基本結(jié)構(gòu)

多級離心泵的結(jié)構(gòu)是將具有類似結(jié)構(gòu)的多個的離心泵組合在一起，被輸送的液體在給定的壓力下進(jìn)入泵的吸入口，第一級的輸送流體出口與第二級的輸送流體進(jìn)口聯(lián)通，第二級的輸送流體出口與第三級的輸送流體進(jìn)口聯(lián)通，由于一級到另一級的這種過程的重復(fù)進(jìn)行，從而達(dá)到提高設(shè)計揚程的目的。常見的多級離心泵基本結(jié)構(gòu)包括水平剖分式和分段式2 種。分段式多級泵是一種垂直剖分的多級泵，它由低壓入口段、高壓出口段、多個中間段、平衡裝置(平衡管、平衡鼓、平衡盤)、密封裝置(軸承箱潤滑油密封、泵體介質(zhì)密封)和泵軸(級間套、葉輪、口環(huán)、軸承)組成，用4 根長螺栓組裝為一個整體。主軸上的葉輪個數(shù)就是多級離心泵的級數(shù)，每個中間段的葉輪都有與之相配的隔板，隔板的作用與單級離心泵的蝸殼相同，目的是將輸送流體的動力能轉(zhuǎn)化為壓力能。葉輪多為單吸結(jié)構(gòu)，即葉輪的所有吸入口都為統(tǒng)一的方向。為平衡因出入口壓差引起的軸向力，在最后一級后面裝有平衡盤或平衡鼓，并用平衡管將設(shè)備的出口段與吸入段相連通，通過調(diào)整墊片或者車削平衡座、平衡盤，將轉(zhuǎn)子保持在每級隔板流道的中心位置附近，在平衡盤裝置機(jī)理作用下，設(shè)備在運行過程中主軸會有一定量的左右竄動（0.10 ～0.50mm）。

水平剖分式的結(jié)構(gòu)特點是泵體及導(dǎo)流裝置沿泵軸的軸線方向水平剖分，將設(shè)備分離成為上下2 部分，設(shè)備的吸入口和排出口直接鑄造在泵體上，在解體檢查時只需拆除中分面全部螺栓，起吊泵上蓋即可露出整個轉(zhuǎn)子，可直接將轉(zhuǎn)子吊出而無需拆解各個中間段及連接管路。這種泵的葉輪多數(shù)為偶數(shù)，葉輪的入口方向相對或者相反，可以平衡設(shè)備的大部分軸向力，因而不需要安裝平衡盤或者平衡鼓等平衡裝置。

4 滑動軸承溫度高原因分析

引起多級離心泵滑動軸承溫度高的原因有很多，如驅(qū)動機(jī)與設(shè)備未能保持同心，引起設(shè)備振動造成滑動軸承油膜破壞出現(xiàn)較大摩擦，從而導(dǎo)致滑動軸承溫度出現(xiàn)升高現(xiàn)象；滑動軸承側(cè)隙及頂間隙過小，導(dǎo)致潤滑油實際流入軸與滑動軸承間隙內(nèi)的量相對較少，難以形成良好的潤滑油膜，同時也因為間隙過小，潤滑油不易帶走摩擦引發(fā)的設(shè)備熱量，引起溫度升高，滑動軸承與軸頸的接觸面積低于75%，使接觸部分產(chǎn)生過大負(fù)載壓力引起溫度升高；轉(zhuǎn)子中心定位不準(zhǔn)造成推力軸承承受額外附加載荷，或主軸位移造成平衡盤磨損，軸向力偏移預(yù)警軸承承受過大軸向力發(fā)熱，引起潤滑油溫度升高，潤滑油冷卻效果降低導(dǎo)致滑動軸承溫度高；軸承箱后壓蓋預(yù)留間隙過小，沒有預(yù)留出轉(zhuǎn)子熱膨脹間隙，或沒有預(yù)留夠平衡盤位移間隙，造成軸承箱壓蓋與轉(zhuǎn)動部件碰磨引起溫度升高；平衡鼓間隙過大或平衡管堵塞造成軸向力無法平衡，引起滑動軸承溫度高；潤滑油冷卻系統(tǒng)失效導(dǎo)致潤滑油溫度過高，潤滑油變質(zhì)造成潤滑油冷卻效果減低，引起溫度升高；工藝抽空造成設(shè)備振動，或引起軸向力平衡系統(tǒng)失效，導(dǎo)致設(shè)備動靜碰磨引起滑動軸承溫度升高；葉輪與軸配合間隙過大、背帽松動、聯(lián)軸器與軸配合間隙過大、滑動軸承背緊力不足等設(shè)備松動問題均可能造成設(shè)備振動，引起溫度升高。

現(xiàn)場對設(shè)備拆檢及運行記錄查看，未發(fā)現(xiàn)裝配及操作不當(dāng)，檢查滑動軸承磨損痕跡，確定為潤滑不良造成滑動軸承溫度高。

5 潤滑的作用

潤滑，就是將潤滑介質(zhì)填充進(jìn)有相對運動的摩擦副之間，使其在摩擦副之間形成起潤滑作用的液膜，將原來直接接觸的2個摩擦副表面分離，改善摩擦副的摩擦狀態(tài)以達(dá)到降低摩擦阻力、減緩磨損、節(jié)省能耗、延長機(jī)械設(shè)備使用壽命的目的。潤滑的作用大致可總結(jié)以下9個方面，減少摩擦、降低設(shè)備磨損、設(shè)備冷卻、防腐防銹、絕緣、傳遞動能、減振、清洗、密封。

6 潤滑的形式

在滑動軸承潤滑中，按表面的潤滑情況可分為以下幾種潤滑形式。

（1）無潤滑?；瑒虞S承與主軸的2 表面之間無潤滑介質(zhì)直接接觸，此時的摩擦狀態(tài)稱為干摩擦，在實際工況下不存在真正干摩擦，一般所稱的干摩擦軸承，僅指無潤滑介質(zhì)但可能存在金屬氧化膜或自然污染膜的軸承。

（2）邊界潤滑。當(dāng)摩擦副之間不能獲得流體動壓膜和彈流潤滑膜，金屬表面上仍然遺留有吸附的極薄的油膜，這種表面膜能承受一定的壓力，但不能避免設(shè)備主軸和滑動軸承金屬表面凸峰的直接接觸，摩擦和磨損情況比干摩擦大為改善，靠邊界油膜進(jìn)行的潤滑叫做邊界潤滑。

（3）流體潤滑。摩擦副運動表面上被一層一定厚度（通常為1.5 ～2μm 以上）的連續(xù)流體膜完全隔開，此時主軸與滑動軸承金屬表面的凸峰不直接接觸，主軸與滑動軸承之間的外摩擦轉(zhuǎn)化為流體膜內(nèi)部的內(nèi)摩擦，稱為流體潤滑。其潤滑能力由液膜流體的黏度決定，與2個相對運動的摩擦副材質(zhì)無關(guān)，這種潤滑狀態(tài)的摩擦力低、設(shè)備磨損少，可極大延長設(shè)備的使用壽命。

7 滑動軸承常見潤滑方式

（1）手動潤滑。在發(fā)現(xiàn)軸承的潤滑流體不足時，使用注油設(shè)備適時供油。

（2）滴油潤滑。依靠滴油潤滑裝置，通過潤滑油的自流向潤滑部位潤滑。

（3）壓力潤滑。利用潤滑油泵將供油箱的潤滑油以一定壓力運送到各潤滑部位，潤滑油經(jīng)過濾冷卻后，再通過管路回到供油箱，形成循環(huán)回路。

（4）飛濺潤滑?？扛窖b在軸上的甩油環(huán)將油攪動，使之飛濺在摩擦表面上。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，靠摩擦力帶動油環(huán)轉(zhuǎn)動，從而把油帶入滑動軸承中，進(jìn)行潤滑。當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)速為250 ～3000r/min 范圍內(nèi)的水平軸時，可選用此種方式潤滑。當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)速過高，甩油環(huán)會因強(qiáng)烈跳動而無法達(dá)到平穩(wěn)的油膜傳動速度，而轉(zhuǎn)速過低時，甩油環(huán)帶起的潤滑油量較低，無法滿足設(shè)備潤滑需要。

8 徑向滑動軸承甩油環(huán)飛濺潤滑的選用條件

徑向滑動軸承潤滑方式一般使用下式進(jìn)行選擇：

式中，p 為軸頸上的平均壓強(qiáng)，MPa；v 為軸頸上的圓周速度，m/s；P 為軸承所承受的最大徑向載荷，N；d為軸頸直徑，mm；B 為軸承工作寬度，mm。

當(dāng)K ≤2 時，選用潤滑脂潤滑；當(dāng)K ＞2 ～15 時，選用潤滑油潤滑；當(dāng)K ＞15 ～30 時，選用飛濺潤滑，必要時可以用水或循環(huán)油冷卻；當(dāng)K ＞30 時，必須選用壓力潤滑。

9 甩油環(huán)工作原理

甩油環(huán)直接穿套在設(shè)備主軸上，并由滑動軸承上蓋部分的加工槽限定甩油環(huán)位置（用于滾動軸承潤滑時一般由軸承箱頂部裝入2 條長螺栓進(jìn)行限位），以避免設(shè)備轉(zhuǎn)動時甩油環(huán)沿軸向移動。甩油環(huán)下部部分浸沒于潤滑油中，當(dāng)設(shè)備運轉(zhuǎn)時，帶動甩油環(huán)在摩擦力作用下轉(zhuǎn)動，同時將潤滑油帶起輸送到滑動軸承。甩油環(huán)的運動過程分為3個階段，即同速階段、滑移階段以及完全油膜傳動階段。在低速下，甩油環(huán)與主軸之間無相對滑動，甩油環(huán)自身轉(zhuǎn)動速度與軸轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系；當(dāng)甩油環(huán)速度逐漸上升，附著在甩油環(huán)下部的潤滑油的阻力大于主軸與甩油環(huán)之間的摩擦力時，甩油環(huán)與主軸則會產(chǎn)生相對滑動，成為滑動速度；當(dāng)甩油環(huán)的速度繼續(xù)增大，潤滑油在甩油環(huán)與主軸間形成油膜，當(dāng)摩擦力和阻力平衡時，甩油環(huán)進(jìn)入局部油膜驅(qū)動狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到2.9倍的甩油環(huán)初滑移主軸轉(zhuǎn)速時，進(jìn)入完全油膜傳動狀態(tài)。甩油環(huán)的供油量被分成超出供油速度階段及未超出供油速度階段，只有當(dāng)2個階段均滿足滑動軸承的最小供油量，甩油環(huán)才能為滑動軸承提供滿足運轉(zhuǎn)需要的潤滑油量。

10 甩油環(huán)設(shè)計

10 .1 甩油環(huán)材質(zhì)選擇

甩油環(huán)與軸之間發(fā)生相對運動極易產(chǎn)生黏著磨損及磨粒磨損，磨屑掉入潤滑油中會造成潤滑油污染，顆粒狀的磨屑存在于潤滑油中又會加速甩油環(huán)本身及滑動軸承與主軸的磨損，引起惡性循環(huán)，導(dǎo)致甩油環(huán)及軸承損壞。結(jié)合黏著磨粒磨損計算公式及磨損發(fā)生原因可以得出使用與軸材質(zhì)不同、硬度較高、表面粗糙度低材質(zhì)的甩油環(huán)能有效降低磨損量，延長使用壽命。多數(shù)情況下甩油環(huán)可使用黃銅、青銅、鑄鋅等材質(zhì)。

10 .2 滑動軸承最小供油量的計算

最小供油量約為完全注入軸承與軸頸間隙的10%。

通過Qmin=0.039nd2LC 進(jìn)行估算，其中L 為滑動軸承有效長度；C 為滑動軸承與軸頸間隙比。

甩油環(huán)的3個速度階段：

式中，N 為甩油環(huán)轉(zhuǎn)速；n 為軸轉(zhuǎn)速；d 為軸頸直徑；D 為甩油環(huán)內(nèi)徑。

（2）滑移階段：N1=0. 029

式中，N1為甩油環(huán)初滑移轉(zhuǎn)速；w 為甩油環(huán)重量；μ 為潤滑油動力黏度。

（3）油膜傳動階段：N2=

式中，N2為甩油環(huán)轉(zhuǎn)速；v 為潤滑油運動黏度。

甩油環(huán)的供油量：

（1）甩油環(huán)供油速度：Nt

式中，Nt為供油速度。

（2）甩油環(huán)轉(zhuǎn)速小于等于供油速度時，供油量計算如下：

Qt=0.00137(DNt)1.5Wv0.65

式中，Qt為甩油環(huán)供油量；W 為甩油環(huán)寬度。

（3）甩油環(huán)轉(zhuǎn)速大于輸送速度時，供油量計算如下：

式中，Q 為甩油環(huán)供油量；nt為甩油環(huán)處于供油速度時的軸頸轉(zhuǎn)速；n 為設(shè)備轉(zhuǎn)速；

通過計算甩油環(huán)的供油速度，然后對比甩油環(huán)3個階段速度與供油速度大小，分別計算3個速度下的供油量是否大于最小供油量，即可確定甩油環(huán)設(shè)計是否滿足要求，經(jīng)過計算該泵甩油環(huán)設(shè)計過小造成潤滑不良，改為雙甩油環(huán)解決設(shè)備故障（計算過程略）。