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，并曾發生過滑動軸承燒毀故障，設備拆檢后復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入泵頭內，驅動設備帶動主軸、葉輪轉動，葉輪的輪片驅動輸送流體與葉輪一起旋轉，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到最大，然后進入蝸室，輸送流體的動力能逐步降低，將大部分動力能轉換為壓力能，經過壓出室時動力能被進一步降低，輸送流體的壓力繼續升高，達到需要的壓力后將介質壓入泵的排出管道最終到達目的地。同時，葉輪入口由于輸送流體的排出而形成低壓區，甚至呈現真空趨勢，吸入口液體池中的液體在液面壓力和葉輪入口處負壓的雙重作用下，輸送流體將通過吸入管路至葉輪入口。當設備連續運轉時，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，實現離心泵對輸送流體不間斷運送。

3 多級離心泵基本結構

多級離心泵的結構是將具有類似結構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口聯通，第二級的輸送流體出口與第三級的輸送流體進口聯通，由于一級到另一級的這種過程的重復進行，從而達到提高設計揚程的目的。常見的多級離心泵基本結構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、泵體介質密封)和泵軸(級間套、葉輪、口環、軸承)組成，用4 根長螺栓組裝為一個整體。主軸上的葉輪個數就是多級離心泵的級數，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化為壓力能。葉輪多為單吸結構，即葉輪的所有吸入口都為統一的方向。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，并用平衡管將設備的出口段與吸入段相連通，通過調整墊片或者車削平衡座、平衡盤，將轉子保持在每級隔板流道的中心位置附近，在平衡盤裝置機理作用下，設備在運行過程中主軸會有一定量的左右竄動（0.10 ～0.50mm）。

水平剖分式的結構特點是泵體及導流裝置沿泵軸的軸線方向水平剖分，將設備分離成為上下2 部分，設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子，可直接將轉子吊出而無需拆解各個中間段及連接管路。這種泵的葉輪多數為偶數，葉輪的入口方向相對或者相反，可以平衡設備的大部分軸向力，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，如驅動機與設備未能保持同心，引起設備振動造成滑動軸承油膜破壞出現較大摩擦，從而導致滑動軸承溫度出現升高現象；滑動軸承側隙及頂間隙過小，導致潤滑油實際流入軸與滑動軸承間隙內的量相對較少，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的設備熱量，引起溫度升高，滑動軸承與軸頸的接觸面積低于75%，使接觸部分產生過大負載壓力引起溫度升高；轉子中心定位不準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，軸向力偏移預警軸承承受過大軸向力發熱，引起潤滑油溫度升高，潤滑油冷卻效果降低導致滑動軸承溫度高；軸承箱后壓蓋預留間隙過小，沒有預留出轉子熱膨脹間隙，或沒有預留夠平衡盤位移間隙，造成軸承箱壓蓋與轉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；潤滑油冷卻系統失效導致潤滑油溫度過高，潤滑油變質造成潤滑油冷卻效果減低，引起溫度升高；工藝抽空造成設備振動，或引起軸向力平衡系統失效，導致設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、聯軸器與軸配合間隙過大、滑動軸承背緊力不足等設備松動問題均可能造成設備振動，引起溫度升高。

現場對設備拆檢及運行記錄查看，未發現裝配及操作不當，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，就是將潤滑介質填充進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以達到降低摩擦阻力、減緩磨損、節省能耗、延長機械設備使用壽命的目的。潤滑的作用大致可總結以下9個方面，減少摩擦、降低設備磨損、設備冷卻、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。滑動軸承與主軸的2 表面之間無潤滑介質直接接觸，此時的摩擦狀態稱為干摩擦，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化為流體膜內部的內摩擦，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無關，這種潤滑狀態的摩擦力低、設備磨損少，可極大延長設備的使用壽命。

7 滑動軸承常見潤滑方式

（1）手動潤滑。在發現軸承的潤滑流體不足時，使用注油設備適時供油。

（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，潤滑油經過濾冷卻后，再通過管路回到供油箱，形成循環回路。

（4）飛濺潤滑。靠附裝在軸上的甩油環將油攪動，使之飛濺在摩擦表面上。當軸旋轉時，靠摩擦力帶動油環轉動，從而把油帶入滑動軸承中，進行潤滑。當設備轉速為250 ～3000r/min 范圍內的水平軸時，可選用此種方式潤滑。當設備轉速過高，甩油環會因強烈跳動而無法達到平穩的油膜傳動速度，而轉速過低時，甩油環帶起的潤滑油量較低，無法滿足設備潤滑需要。

8 徑向滑動軸承甩油環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行選擇：

式中，p 為軸頸上的平均壓強，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K ≤2 時，選用潤滑脂潤滑；當K ＞2 ～15 時，選用潤滑油潤滑；當K ＞15 ～30 時，選用飛濺潤滑，必要時可以用水或循環油冷卻；當K ＞30 時，必須選用壓力潤滑。

9 甩油環工作原理

甩油環直接穿套在設備主軸上，并由滑動軸承上蓋部分的加工槽限定甩油環位置（用于滾動軸承潤滑時一般由軸承箱頂部裝入2 條長螺栓進行限位），以避免設備轉動時甩油環沿軸向移動。甩油環下部部分浸沒于潤滑油中，當設備運轉時，帶動甩油環在摩擦力作用下轉動，同時將潤滑油帶起輸送到滑動軸承。甩油環的運動過程分為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，甩油環與主軸之間無相對滑動，甩油環自身轉動速度與軸轉速成正比關系；當甩油環速度逐漸上升，附著在甩油環下部的潤滑油的阻力大于主軸與甩油環之間的摩擦力時，甩油環與主軸則會產生相對滑動，成為滑動速度；當甩油環的速度繼續增大，潤滑油在甩油環與主軸間形成油膜，當摩擦力和阻力平衡時，甩油環進入局部油膜驅動狀態，當設備主軸轉速達到2.9倍的甩油環初滑移主軸轉速時，進入完全油膜傳動狀態。甩油環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2個階段均滿足滑動軸承的最小供油量，甩油環才能為滑動軸承提供滿足運轉需要的潤滑油量。

10 甩油環設計

10 .1 甩油環材質選擇

甩油環與軸之間發生相對運動極易產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本身及滑動軸承與主軸的磨損，引起惡性循環，導致甩油環及軸承損壞。結合黏著磨粒磨損計算公式及磨損發生原因可以得出使用與軸材質不同、硬度較高、表面粗糙度低材質的甩油環能有效降低磨損量，延長使用壽命。多數情況下甩油環可使用黃銅、青銅、鑄鋅等材質。

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。

甩油環的3個速度階段：

式中，N 為甩油環轉速；n 為軸轉速；d 為軸頸直徑；D 為甩油環內徑。

（2）滑移階段：N1=0. 029

式中，N1為甩油環初滑移轉速；w 為甩油環重量；μ 為潤滑油動力黏度。

（3）油膜傳動階段：N2=

式中，N2為甩油環轉速；v 為潤滑油運動黏度。

甩油環的供油量：

（1）甩油環供油速度：Nt

式中，Nt為供油速度。

（2）甩油環轉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為甩油環供油量；W 為甩油環寬度。

（3）甩油環轉速大于輸送速度時，供油量計算如下：

式中，Q 為甩油環供油量；nt為甩油環處于供油速度時的軸頸轉速；n 為設備轉速；

通過計算甩油環的供油速度，然后對比甩油環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，即可確定甩油環設計是否滿足要求，經過計算該泵甩油環設計過小造成潤滑不良，改為雙甩油環解決設備故障（計算過程略）。