高速離心泵軸瓦磨損失效分析及處理

時丕斌，康秀閣，宋 健

（中國石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022）

高速離心泵軸瓦磨損失效分析及處理

時丕斌，康秀閣，宋 健

（中國石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022）

柴油加氫裝置臥式高速離心泵在使用過程中，頻繁發生軸瓦磨損失效問題，經檢查分析認為，磨損是軸頭泵花鍵聯軸器傳動失效、潤滑支路流量不均等原因所致。維修過程中，對軸頭泵聯軸器改型升級，并對潤滑油支路吹掃清洗，效果良好。

高速離心泵；滑動軸承；聯軸器

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.34

0 前言

高壓注水泵是加氫裝置反應系統注入沖洗水的流體升壓設備，因生產工藝要求，其注水通常具有流量小、壓力高的特點。因此，高揚程小流量多級離心泵及柱塞泵得以廣泛應用，但由于多級離心泵及柱塞泵結構復雜、維修困難、易損件多等原因，又逐漸被用于輸送小流量高揚程的超低比轉數高速離心泵取代。高速離心泵具有優異的小流量工作穩定性及抗汽蝕性能，且具有可靠性高、適用范圍廣、使用壽命長等優點。某柴油加氫改質裝置高壓注水泵選用一級增速臥式高速離心泵，使用過程中頻繁發生油壓偏低、軸瓦磨損現象，軸承平均使用壽命不足6個月，嚴重威脅裝置長周期安全平穩運行。

1 高速離心泵結構及潤滑

柴油加氫改質裝置高壓注水泵為單吸、懸臂、臥置、一級齒輪增速單級離心泵，主要由泵頭、增速箱、潤滑系統、電機、底座及其附件組成。

齒輪箱為一對齒輪嚙合的增速箱，由箱體、箱蓋、高、低速齒輪軸組件、軸承及殼體組件組成。齒輪副為高精度的硬齒面斜齒輪。其中，大齒輪軸組件由2個單列向心球軸承支承在齒輪箱內，小齒輪軸組件由2個徑向滑動軸承支承在齒輪箱體內，并使用推力軸承承受殘余軸向力。為保證潤滑油在無渦流和泡沫狀態下的連續供給，該增速箱設置高位油箱，機泵運行時，潤滑油在主油箱建立正常油位，并將多余的潤滑油送至高位油箱，形成平衡的工作狀態，如圖1所示。

由于機泵轉速較高，運轉過程中產熱量大，因此機泵采用強制潤滑方案。潤滑油系統由增速箱油池、主油泵、輔助油泵、油過濾器、油冷卻器、監控儀表及內外管路所組成，如圖2所示。其中，軸頭泵安裝于增速箱內部，由低速軸通過花鍵聯軸器驅動。輔助油泵外置于底座上，使用獨立的電動機驅動。

高速離心泵額定揚程1430 m，額定流量為15 m3/h，驅動電機工作轉速為2976 r/min，經增速箱增速后機泵轉速高達16 581 r/min。

2 運轉情況

為防止因油壓不足、潤滑不良而導致機泵損壞，機泵潤滑油系統設置低油壓聯鎖保護系統。潤滑油系統正常運行情況下，軸頭泵出口油壓0.3～0.8 MPa，進軸承前油壓0.08～0.35 MPa。當軸頭泵運行異常，泵出口油壓＜0.2 MPa時，輔助油泵聯鎖啟動，保證油泵出口油壓；當油壓持續降低，進軸承前油壓＜0.07 MPa時，高速離心泵主電機聯鎖停運，以防潤滑不足損壞設備。

圖1 高速離心泵增速箱結構

圖2 高速離心泵潤滑示意

機泵運行初期，軸頭泵出口油壓約0.5 MPa，進軸承前油壓約0.25 MPa，經過一段時間運行后，軸頭泵出口壓力及進軸承前油壓均出現下降趨勢。運行約60 d后，軸頭泵出口油壓降至0.2 MPa，輔助油泵聯鎖啟動。此時，軸頭泵及輔助油泵同時運行，可以保證軸頭泵出口油壓達到0.4 MPa，但進軸承前油壓僅0.09 MPa，雖然輔助油泵啟動運行，仍無法提升進軸承前油壓。

鑒于以上情況，為防止設備損壞，決定停運并拆除檢修該設備。設備拆檢過程中發現機泵低速軸滾動軸承完好，未發現磨損痕跡，泵體內潤滑油管路連接可靠，未發現松動或斷開現象，如圖3所示。拆檢高速軸發現高速軸葉輪側滑動軸承磨損嚴重，軸瓦合金嚴重脫落，軸瓦間隙明顯增加，其中軸瓦底部合金脫落最為嚴重，并有局部過熱跡象，如圖4所示。遠離葉輪側滑動軸承未見磨損跡象，軸瓦間隙為0.09 mm，滿足裝配要求。為進一步排查軸頭泵輸出油壓偏低原因，對軸頭泵進行解體檢查，未發現齒輪磨損、間隙增大等異常現象。根據近3次損壞檢修情況，更換磨損軸承及軸頭泵后，潤滑油壓力恢復正常，故障消除，但運行周期僅60 d。

3 原因分析

3.1 軸頭泵傳動分析

軸頭泵使用花鍵聯軸器與增速箱低速軸端部直接相連，檢查聯軸器發現花鍵磨損較嚴重，低速軸與軸頭泵驅動軸偶有相對轉動現象。花鍵聯軸器具有對軸削弱程度小、定心和導向性能好等優點，但當轉子出現對中不良時，即便是微小的不對中，也容易導致花鍵端部磨損失效。

高速離心泵軸頭泵傳動軸直徑10 mm，由于直徑小，無法加工矩形或漸開線形齒而使用三角形傳動齒，且齒高僅1 mm。三角形花鍵承載能力較弱，當轉子對中不良或振動沖擊時，容易因鍵齒強度不足而屈服變形，失去傳動作用。機泵運轉過程中，鍵齒一旦損壞，軸頭泵與低速軸將發生相對旋轉，軸頭泵轉速下降，而致使軸頭泵輸出油壓不足、潤滑油流量下降。

3.2 高速軸力學模型分析

高速離心泵增速箱屬于斜齒圓柱齒輪傳動結構，其中，低速齒輪為主動齒輪，旋向為右旋，高速齒輪為從動齒輪，旋向為左旋。如圖5所示，低速齒輪旋轉中心為O1，高速齒輪旋轉中心為O2，以高速齒輪為研究對象，則其圓周力Ft與旋轉方向相同，徑向力Fr則指向軸心，圓周力Ft與徑向力Fr的合力F則指向下方區域，即高速軸承底部為重載區。因此，當軸承潤滑不良時，軸瓦底部承載區合金將發生嚴重摩擦損傷，這與拆檢實際情況相一致。

圖3 泵體潤滑管路連接可靠

圖4 軸瓦合金磨損脫落

圖5 斜齒圓柱齒輪傳動作用力示意

3.3 潤滑管路布置分析

為保證設備緊湊，降低占地空間，該高速離心泵潤滑油管路除輔助油泵、潤滑油冷卻器、潤滑油過濾器等部分布置在機泵底座外，其余供油管路全部集成布置在增速箱中。設備內部潤滑油管路采用內徑2.5 mm的銅管，見圖3。

增速箱內部供油點包括高速軸、低速軸徑向軸承及推力軸承、齒輪嚙合部位等6處。由于各注油點流動阻力不同，當潤滑油量不足時，各點注油流量極易發生偏流現象，流動阻力較小、沿程損失較低的注油點油量較大，而流動阻力較大、沿程損失較高的注油點油量則偏小，甚至潤滑不足而損壞軸承。經拆檢發現，葉輪側徑向滑動軸承注油點遠離供油總管，且使用較長的細銅管接引，處于潤滑油路的末端。因此，當潤滑油量不足時，該軸承將率先發生磨損失效。

綜上分析研究認為，由于軸頭泵三角形花鍵聯軸器強度不足，導致鍵齒變形而失去可靠的傳動作用，并引起軸頭泵轉速下降或不穩定。在此過程中，軸頭泵輸出油壓及潤滑油流量將下降，經阻力不均的多條潤滑支管路后，將導致流動阻力最大、處于潤滑末端的葉輪側徑向軸承率先出現磨損，而且磨損部位出現在潤滑不良的承載區域內。

4 解決辦法

4.1 軸頭泵聯軸器改型

將花鍵聯軸器改為一字插銷式聯軸器，即在低速軸端部加工一字形凹槽，在軸頭泵驅動軸上鉆孔并安裝圓柱銷，如圖6所示。該機構雖不能傳遞較大扭矩，但允許兩軸輕微不對中，可應用于低負荷的軸頭泵傳動。

圖6 聯軸器改型后軸頭泵傳動機構示意

4.2 潤滑油管路沖洗及吹掃

設備長期運轉使用，通徑較小的末端油管路內部附著污物，導致流動阻力增加，潤滑油流動不暢等現象。為解決上述問題，在機泵檢修的過程中，使用汽油對各潤滑支路沖洗貫通，并使用壓縮風逐根吹掃，保證潤滑油路暢通，降低流動阻力。

［1］朱祖超.開式高速離心泵的試驗研究［J］.浙江大學學報，1999，33（2）：142-145.

［2］王賢水，張磊.淺析高速離心泵油壓控制回路改進［J］.山東化工，2015，44（7）：132-133.

［3］趙廣，劉占生，葉建槐，等.轉子-不對中花鍵聯軸器系統動力學特性分析［J］.振動與沖擊，2009，28（3）：78-82.

［4］楊可楨，程光蘊，李仲生，等.機械設計基礎［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］郭維斌，李桂珍.斜齒圓柱齒輪兩級減速器中間軸上齒輪旋向的正確設計［J］.廣西機械，1994（4）：35-36.

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〔編輯 李 波〕