（流体机械及工程专业论文）大型水泵机组耐久性研究.pdf

曹海红：大型水泵机绢耐久性研究 摘要 我国机电排灌总量7 0 0 0 多力k w ，泵站4 6 万余座，其中大中型泵站5 5 0 0 多 座，每年泵站水泵机组检修要耗费大量的人力、物力和财力，并且影响泵站功能 的发挥。水泵机组的耐久性直接影响故障发生，频繁的故障和检修会增加维修费 用。因此研究和提高水泵机组的耐久性，合理确定机组大修周期，对提高水泵机 组的可靠性、节省维修费用有重要意义。 水泵导轴承磨损、叶片和叶轮外壳汽蚀和电机绝缘老化是影响水泵机组耐久 性的主要控制因素。本文分析了影响水泵机组关键部件耐久性的影响因素，利用 己有研究成果和相关试验数据，结合水泵运行条件，分别建立了水泵油润滑导轴 承端面密封磨损速率、水泵水润滑导轴承磨损速率、水泵叶片和叶轮外壳汽蚀破 坏速率和电机绝缘老化速率计算公式。考虑各影响因素的不确定性，创建了受多 因素影响的基于可靠度的关键部件运行寿命理论，提出了计算方法。针对泵站水 泵机组不同形式和运行条件，分析了相关因素对关键部件破坏速率的影响，提出 了提高水泵机组耐久性的措施。最后，以平均年维修费用和因故障检修造成的直 接经济损失之和最少为目标定量确定了调水泵站水泵机组大修周期。 研究结果表明：水泵油润滑导轴承密封端面上的压强是静环与静环座的重量、 弹簧压力、以及水推力共同作用的结果，其中水推力所占比重较小。水泵水润滑 导轴承磨损速率的主要影响因素有：导轴承的径向载荷、润滑水的含沙量，轴瓦 材料的抗磨损强度。其他运行条件相同时，同样的水润滑橡胶导轴承，采用清水 润滑时的运行寿命是采用河水润滑时的8 倍左右。水泵叶片汽蚀破坏速率的影响 因素有：水泵抗汽蚀性能、水泵运行工况、抽排水体的含沙量，其中水泵叶轮的 淹没深度、水泵实际扬程偏移设计扬程的偏移值影响较大。叶轮外壳间隙汽蚀破 坏速率的影响因素主要有材料的抗拉强度与叶片问隙值。水泵电动机绝缘老化速 率的主要影响因素有：绝缘材料性质、电因素、热因素、机械因素，具有9 5 可 靠度的聚酯树脂绝缘老化速率约为环氧树脂绝缘老化速率的1 7 倍。 水泵机组不同部件耐久性相差较大。算例泵站电动机绝缘、水泵叶片、叶轮 外壳、端面密封具有9 5 可靠度的运行寿命分别为2 8 6 、8 2 、5 1 1 、3 4a 。以年维 修费用与经济损失之和最小为目标计算水泵机组的大修周期，算例泵站机组的大 修周期为5 3a ，水泵机组最低可靠度发生在大修周期术，为9 8 。 关键词：大型水泵机组；涮久性：预测；基于可靠度的运行寿命；大修周期 扬州人! 学硕士学位论文 一 a b s t r a c t i nc h i n a ，t h et o t a le q u i p p e dc a p a c i t yo fp u m ps t a t i o n si so v e r7 0 ，0 0 0 m w ，a n d t h e r ea r eo v e r4 6 ，0 0 0p u m ps t a t i o n s ，m o r et h a n5 5 0 0o fw h i c ha r em i d d l eo r1 a r g eo n e s 1h er e p a l ro 士p u m pu n l tc o s t sm u c h m a n p o w e r m a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e se v e r v y e a r ，a n di ti n f l u e n e e st h eo p e r a t i o no ft h ep 啪ps t a t i o n t h ed u r a b i l i t yo ft h ep u m p u n i t sa f l f e c t st h ef 苗l u r ec r e a t e do fp u m pu n i td i r e c t l y m a i n t e n a n c ec o s ti s i n c r e a s e d b e c a u s eo f 矗e q u e n tf a i l u r e sa n dr 印a i r s t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a j l tt oi m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t yo ft h ep u n l ps t a t i o na n ds a v i n gm a i n t e n a j l c ec o s t b ys t u d y i n ga n di m p r o v i n g t h ed u r a b i l i t yo ft h ep u m pu n i ta n dd e t e n n i n i n gar e a s o n a b l em a i n t e n a n c ec v c l e t h ew e a ro fp u m pg u i d e sb e a r i n g ，t h ec a v i t a t i o no f p u m pb l a d e sa n ds h e l l s ，a n dt h e i n s u l a t i o na g i n go fe l e c t r i cm o t o r sa r em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed u r a b i l i t yo fp u m p u n i t t h e ya r et h ek e yp a n so ft h ep u m pu n 沌t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ed u r a b i l i t y o fk e yp a n sw e r ea n a l y z e d c o m b i n i n gp u m p i n go p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h ef | o n n u l a so f t h ee n df a c es e a lw e a r i n gs p e e d ，t h ew a t e r l u b “c a t i n gg u i d i n gb e a r i n gw e a r i n gs p e e d ， p u m pb l a d e sa n dp u m ps h e l l sc a v i t a t i o ne r o s i o ns p e e d ，a n dt h em o t o ri n s u l a t i o na g i n g s p e e dw e r ef 6 u n d e db ye x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a ld a t a c o n s i d e r i n g u n c e n a j n t yo fs o m em a i nf a c t o r s ，t h et h e o r yw a sc r e a t e d ，w h i c hw a su s e dt oc a j c u l a t e s e r v i c i n g l i f eb a s e do n r e l i a b i l i t y o ft h e k e yp a n si n n u e n c e db ym u c hf a c t o r s c a l c u l a t i o nm e t h o dw a s p r e s e n t e d a i m i n g a td i f 琵r e n t p a t t e m s a n d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，t h ei n n u e n c eo fr e l a t e df a c t o r so nk e yp a n sw a sa n a l y z e d ，a n dt h em e t h o d s t o i m p r o v et h ed u r a b i l i t yo fp u m pu n i tw e r ep r e s e n t e d a tl a s t ，w i t ht h ek e yd a r t s s e r v i c i n gl i f e ，t h ep u m pu n i ts e i c i n gl i f eo nd i f ! f e r e n tr e l i a b i l i t yl e v e lw a sc a l c u l a t e d a n dt h eh e a v yr e p a i rp e r i o dw a sd e t e n n i n e dw i t ht h eg o a lt h a ta n n u a la v e r a g ec o s ta n d d i r e c te c o n o m yl o s eo ff a i l u r er e p a i r e dw a sm i n i m u m t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ep r e s s u r eo nt h e s e a l i n gf - a c eo ft h eo i l l u b r i c a t i n g g u i d i n gb e a r i n gi st h es u mo ft h ew e i 曲to fs e a ls t a t i o n a r yr i n ga n ds t a t i o n a r ys e a t ，t h e s p r i n gp r e s s u r e ，a n dt h eh y d r a u l i ct h m s t ，a n d 锄o n gt h e mt h ep r o p o n i o no fh y d r a u l i c t h r u s ti ss m a l l t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t i n gt h ew e a r i n gs p e e do f w a t e r 1 u b r i c a t i n g g u l d m gb e a r i n ga u r et h er a d i a ll o a do fg u i d i n gb e a r i n g ，t h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o no f l u b n c a t l n gw a t e r ，a n dt h ew e a rs t r e n g t ho fb e a r i n gb u s h w i t ht h es a m ew o r k i n g c o n d i t i o n ，t h el i f eo fm b b e rg u i d i n gb e a r i n gl u b r i c a t e dw i t hc l e a rw a t e risa b o u t8t i m e s o ft h eo n el u b r i c a t e dw i t h “v e rw a t e r t h ea n t i c a v i t a t i o ms t r e n g t ho ft h ep u m p ，t h e 曹海红：大型水泵机绢耐久性研究 l l l o p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h ep u m p ，a n dt h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o no ft h ep u m p e dw a t e r a r et h em a i nf - a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ep u m pb l a d ec a v i t a t i o ns p e e d ，a n da m o n gt h e mt h e i n u n d a t i o nd e p t ho fi m p e l l e ra n dm ev a l u ep u m po p e r a t i o n1 i rd e v i a t e sf r o mt h ed e s 追n 1 i rh a v e 校g g i s hi n n u e n c e t h ei n l p e l l e rs h e l lc a v i t a t i o ns p e e di sa f f e c t e db yt h e a n t i c a v i t a t i o ns t r e n g t ho fi t sm a t e r i a la i l dt h ei m p e l l e rc l e 甜a n c e 。t h ei n s u l a t i o na g i n g s p e e do fp u m pm a t i n ge l e c t r i cm a c h i n ei sa a 色c t e db yt h ei n s u l a t i o nm a t e r i a la n dt h e w o r k i n gc o n d i t i o no f t h ee l e c t r i cm a c h i n e i nt h es a m ew o r k i n gc o n d i t i o n ，t h ea g i n g s p e e do fm y l a ri n s u l a t i o ni sa b o u t1 7t i m e so f t h ee p o x yi n s u l a t i o n t h el i f eo ft h ek e yc o m p o n e n t si sd i & r e n tf 沁me a c ho t h e rw i d e l y f o rt h ep u m p s t a t i o ni nt h ep a p e r ，t h el i f eh a v i n g9 5 c o n n d e n c eo ft h ei n s u l a t i o no ft 1 1 em a t i n g e l e c t r i cm a c l l i n e ，t h ep u m pb l a d e ，t h ep u m pi m p e l l e rh o u s i n g ，a n dt h em e c h 越c a ls e a l a r er e s p e c t i v e l y2 8 6 ，8 。2 ，卯a n d3 。4y e a r s w h e nt h eh e a v yr e p a i rp e r i o do ft h ep u m p s t a t i o ni s5 3y e a r s ，t h ea n n u a le x p e n s eo fr e p a i rc o s ta n de c o n o m i c1 0 s s e si s1 e a s t ，a n d t h ep u m pu n “h a s9 8 c o n f i d e n c eb e f o r eh e a v yr e p a i r k e yw o r d s ： l a r g ep u i n pu 血t s ；d u r a b i l i t y ；f o r e c a s t ；r u m l i n gt i m eb a s e do nr e l i a b i l i t y ； h e a v yr e p a i rp e r i o d i v 扬州人学硕士学位论文 符号说明 符号物理意义 不锈钢动环的磨损速率 弹性模量 延伸率 抗断强度 抗磨损强度 含沙量 表面糙度 相对压强 相对含沙量 相对抗磨损强度 水润滑轴承的磨损速率 压强磨损系数 含沙量磨损系数 速度磨损系数 相对压强磨损系数 相对含沙量磨损系数 叶片汽蚀破坏速度 水泵进口绝对液流角 水泵进口相对液流角 水泵进口液流冲角 进口液流冲角引起的压力降 叶片进口压力 叶片进口汽蚀强度 乃 e 面 印 c 髟如 k 厶 易艮肜 如 夕 筇劬 即 肋 曹海红：大型水泵机组耐久性研究 v 符号物理意义 抗拉强度 液体质点的绝对速度 液体质点的牵引速度 液体质点的相对速度 相对真空值 相对抗汽蚀强度 含沙量对叶片汽蚀破坏速度的相对影响系数 叶轮外壳间隙汽蚀破坏速率 相对间隙大小影响系数 绝缘老化速率 热因素引起的年老化量 电因素引起的年老化量 机械因素引起的年老化量 v 甜 w k 翰易肠易研惭跏 扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 嚆淘喜z 签字日期：加g 年占月2 口日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 嗜晦孑2 ， 签字目期：7 影年占月f 移日 聊虢2 l 施、乏 签字日期：狮涉占月( 矽日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 曹海红：人型水泵机组耐久性研究 1 绪论 1 1 大型水泵机组耐久性研究的目的和意义 据不完全统计，我国目前己建成泵站工程4 6 万余座，其中大中型泵站5 5 0 0 多座，机电灌排总量7 0 0 0 多力k w 。2 1 世纪，我国的水利建设将进入一个新的阶 段，随着各地跨流域调水工程的实施，一批大型泵站将投入建设。同时，2 0 世纪 6 0 至8 0 年代建设的大型泵站将进入更新改造时期。今后，随着国民经济的进一步 发展，必将有更多的泵站工程兴建。泵站水泵机组的而j 久性直接影响水泵机组的 检修费用和泵站功能的发挥。 泵站水泵机组的耐久性主要由水泵机组关键部件的耐久性决定。研究水泵机 组关键部件的耐久性，确定其基于可靠度的运行寿命，根据关键部件的耐久性， 确定整个水泵机组的耐久性，提出提高水泵机组耐久性的措施，建立根据耐久性 定量计算确定水泵机组大修周期的方法，对提高水泵机组安全可靠性，减少维修 费用，充分发挥泵站效能具有理论及应用意义。 1 2 研究现状 1 2 1 影响水泵机组耐久性的主要因素 大型水泵机组运行中会出现故障【1 2 】，如电动机油缸润滑油油质变差、水泵填 料密封漏水量大，全调节水泵叶片与轮毂之f 刚的橡皮密封漏油进水等，这些故障 对水泵机组的运行影响不大，并且都可以通过小修处理。但水泵机组的有些关键 部件的故障损坏会直接导致机组不能f 常运行，它们是水泵机组耐久性的决定性 因素。 水泵导轴承的磨损量过大，轴承的径向间隙过大，则水泵轴和叶轮的动摆度 过大，严重时就会造成叶片碰壳，被迫停机。另一方面当水泵导轴承磨损量达到 一定的量，如果不及时维修或更换，就会造成水泵轴磨损量剧增，而修复泵轴需 拆装整个机组，耗费大量人力物力。 扬州大学硕士学位论文 水泵汽蚀破坏过程分为四个阶段：表面发毛、出现针状小孔、小孔发展成窝 蜂装凹坑、穿孔或掉边。当发展到第三阶段时，汽蚀已经严重影响水泵机械性能 和水力性能，必须进行大修。如果发展到第四阶段，水泵直接被迫停机，不能运 行。 绝缘是电动机的重要组成部分，在长期运行过程中，由于受电、热、机械力 的作用和不同环境条件的影响，绝缘会逐渐老化，当绝缘达到老化极限时，电机 绝缘故障会明显提高，并且最终会导致机组被迫停机。 综上所述，水泵导轴承的磨损、水泵汽蚀、电机绝缘老化是影响水泵机组酬 久性的主要因素。 目前，泵站大修周期的确定缺乏理论依据，容易出现大修周期太短或太长。 大修周期太短，大修频繁，不需修也修，造成人力、物力和财力的浪费，同时机 组部件的精密配合面会因频繁拆装而受损；大修周期太长，某些关键部件已出现 隐患或事故征兆，需修不修，会造成故障影响范围扩大，增加以后的大修费用及 运行事故的发生，水泵机组的安全可靠度降低。同时，有些抢修机组，由于抢修 及安装质量差而连续发生事故，甚至一年抢修三次，造成很大的浪费。因此通过 研究水泵机组的倒久性，合理确定大修周期，对水泵机组的安全运行和节省维修 费用很有意义。 1 2 2 水泵导轴承 导轴承是水泵重要部件，起着承受水泵转动部分径向力、稳定叶轮转动的作 用。按润滑剂的不同，水泵导轴承分为油润滑轴承和水润滑轴承两类。目前国内 对导轴承的研究主要集中在材料和应用上。仇宝云p j 通过调查，指出提高金属油润 滑轴承的密封性能和排漏水能力，非金属清水润滑轴承采用护管式结构，同时提 高泵机组和进水流道设计、制造、施工和安装水平，减小导轴承荷载，可以提高 大型水泵导轴承的可靠性和耐久性。 文献 4 6 介绍了大型卧式轴流泵导轴承的使用现状和水润滑非金属轴承、油 润滑令属轴承等不同轴承的特点以及选用方法。杨洪群 4 】针对国内大中型泵站卧式 机组导轴承在运行中所存在的问题，结合南京秦淮新河泵站卧式机组的技术改造， 就水泵导轴承部件的选择进行了综合分析。针对国内大中型泵站卧( 斜) 式水泵 曹海红：大型水泵机组耐久性研究 水导轴承运行中存在油润滑轴承因密封漏水导致轴承损坏，非金属轴承因材料配 方、承载能力及抗冲击等性能不能满足要求导致损坏的现象，杨洪群1 5 】对水泵轴承 的结构形式、材料性能的优缺点和使用条件进行了分析研究。杨树雄【6 介绍了大型 卧式轴流泵导轴承的适用现状和水润滑非金属轴承、油润滑金属轴承等轴承的特 点及选用方法。 油润滑水泵导轴承基本上仍是传统的巴氏合金轴承。巴氏合金导轴承承载能 力大，但结构复杂，特别是水密封结构不可靠，当水封失效时大量漏水进入导叶 体轮毂腔，淹没轴承，常常是机组还未到大修时间，甚至刚安装运行不久，由于 浸水，轴承和轴颈严重拉毛、剥落，间隙增大，导致叶片碰壳。据南水北调东线 源头江都抽水站不完全统计，所有大泵油轴承都浸过水，单站平均每年发生4 8 次 以上，1 0 年内单泵最多发生过1 8 次之多。在保证水密封结构可靠性的前提下，巴 氏合金导轴承运行寿命可达2 0 0 0 0 3 0 0 0 0h 。 水泵水润滑导轴承大都采用非金属材料，水润滑轴承衬里材料种类很多，主 要有：橡胶、聚股脂、p 2 3 酚醛塑料、f 1 0 2 复合材料、赛龙、陶瓷、金属塑料等。 水润滑轴承多用在深井泵和立式泵中，由于立式机组泵轴不平衡径向力近似于叶 轮直径d 的2 0 2 5 次方成正比，叶轮直径在2 om 以上的大型立式水泵如果采用 非金属导轴承，宜采用清水润滑。 橡胶轴承在大型卧式轴流泵上使用，仅见于秦淮新河泵站，该站卧式泵使用 黑色橡胶轴承，1 9 9 5 年更换为聚胺酯橡胶轴承，更新改造后使用了弹性金属塑料 瓦。橡胶轴承一般用于中小型立式泵的水导轴承，在用于卧式水泵时，由于需要 承载转动部件的重量，加剧了橡胶轴承下部严重偏磨，耐久性大大下降。 p 2 3 酚醛塑料轴承，最早应用于广东斗门西安泵站d = 3 米的卧式轴流泵，由 于其功能为排涝，泵站于1 9 7 8 年建成后，年运行时间短，至2 0 0 1 年第一次大修 时拆检，累计运行时间仅2 0 0 0 多小时，水泵导轴承已基本磨损不能使用。p 2 3 导 轴承还应用于其他大型斜式排涝泵站，如湖南黄盖湖泵站斜15 0 、叶轮直径为3 m 的泵；江苏新夏港泵站的斜3 0 0 、叶轮直径为2 m 的水泵。由于上述泵平均年运行 时间在数百小时以内，一些运行可靠性方面的问题尚未完全暴露。从已经发现的 扬州大学硕+ 学位论文 问题来看，此类材料的脆性大、易碎，并且其碎屑较硬，一旦有碲屑脱落，就会 加速磨损并拉毛与之相配的大轴轴颈。 林海江【7 j 介绍了用于大中型水泵的不同材料油润滑和水润滑导轴承的特点，从 性能、加工、安装、检修和经济等多方面进行了比较，提出了水泵导轴承的选用 原则，并预测了发展趋势。 青岛大学王优强试验研究了水润滑橡胶轴承在不同运行条件下摩擦系数的特 征【8 9 】。重庆大学王家序以含沙量不同的水为润滑介质，得出了荷载、速率、运行 时间与水润滑橡胶轴承摩擦系数之间的关系曲线【1 0 】，并且通过试验研究了橡胶层 厚度和硬度对水润滑整体式轴承摩擦因数的影响 1 1 】。 近年来，国外工业发达国家出现许多滑动轴承结构的专利和具有较好特性的 新型抗磨材料。新的抗磨材料有：碳石墨、卡包塑料、渗硅石墨、央布胶木。新 的轴承形式有：细槽轴承、镶嵌式轴承、t k 2 n 轴承。 目前国内外对一般滑动轴承的润滑及磨损机理研究较多，对应用于水泵的大 型导轴承，偏重于不同轴瓦材料轴承应用情况的比较，对于其磨损特性或耐久性 研究的较少。 1 2 3 水泵汽蚀 水泵汽蚀是影响泵站安全、稳定运行的关键技术问题之一。汽蚀的强烈机械 剥蚀、化学腐蚀、和电化作用，致使水泵叶轮、叶轮外壳内壁以及导叶都可能遭 到形如蜂窝或海绵状的破坏，甚至断裂。水泵发生汽蚀时，大量的汽泡改变了流 道内特别是叶槽内过流面积和水流方向，叶轮与水流间能量交换的稳定性遭到破 坏，损失增加。当汽蚀继续加强，汽泡大量产生，引起流量、扬程和效率的迅速 下降，甚至达到断流状态。因此汽蚀不仅会引起水泵机组的振动和噪音，还会降 低水泵机组的耐久性，缩短大修周期，增加维修费用。储训教授【1 2 】通过对江苏、 安徽、湖北等省4 5 座大中型泵站5 5 5 台水泵的汽蚀破坏专题调研，分析了水泵汽 蚀破坏的状况，并指出了汽蚀破坏的特点。 水泵的必需汽蚀余量和有效汽蚀余量是水泵汽蚀的两个基本的概念【l3 1 。水泵 的必需汽蚀余量：在汽蚀临界状态时，水泵吸水侧装置能量扣除吸上高度和吸水 曹海红：大型水泵机绢耐久性研究 管损失，超过当时汽化压力所剩的富裕能量，用n p s h ，表示。有效汽蚀余量：指 水泵进口处液体具有的超过当时温度下汽化压力的富裕能量，用n p s h 口表示。根 据必需汽蚀余量和有效汽蚀余量的物理意义可以知道：一台水泵是否发生汽蚀， 与泵装置的条件和泵本身的条件有关。当n p s h 。 n p s h ，时，水泵不发生汽蚀， 反之，水泵将发生汽蚀。 汽蚀破坏时一个复杂的渐变过程，除机械剥蚀外，还存在化学腐蚀和电化作 用 1 4 15 1 。储训教授 1 4 】在大中型泵站汽蚀破坏调研的基础上，主要从水泵的选型和 泵站进水条件方面探讨了水泵汽蚀破坏的原因。孙寿【l5 j 概要综述水泵汽蚀研究的 现状，内容包括：汽蚀的基础研究、泵汽蚀性能研究、诱导论和超期水泵、泵汽 蚀防治研究、泵汽蚀尺寸效应研究。文献 1 6 从门d 着手研究水泵的汽蚀性能，一 般情况下汽蚀性能好的轴流泵，2 胪2 4 1 6 3 0 。 目前国内对水泵的汽蚀破坏尚无统一的评判标准，一般套用水轮机的汽蚀破 坏标准，储训教授将汽蚀破坏分为五级。同时总结了大中型泵站防止水泵汽蚀的 措施【1 ，提出了水泵叶片、叶轮汽蚀破坏后的修补方法。王继光通过对临洪西站 一座排涝泵站水泵叶片和叶轮室发生的严重汽蚀情况的检测和分析，采用喷涂不 锈钢和环氧云铁防腐涂料进行抗汽蚀修补，施工工艺简单，便于现场处理。喷涂后 涂膜峰韧、刑。磨，表面硬度可达h r c 6 0 7 0 。王爱芬【l8 】对轴流泵汽蚀损坏与修补效 果进行了大量的调查和研究，结合具体修补实践，比较系统地分析、论述了轴流 泵常采用的修补方法，并提出了各种修补方法的利弊及适用性。 孙寿翻译了一篇关于轴流泵叶片上的汽蚀冲击压力的外文文献【1 圳，该文献中 将压力膜贴在轴流泵叶片上，测量叶片上的冲击压力，叶片边缘区相对速率大， 故吸入面冲击压力最大。刘f 英 2 0 】提出了一种水泵汽蚀试验数据的拟合方法，即 用指数函数来拟合水泵的汽蚀曲线，该拟合较合理地确定临近汽蚀余量，使得用 计算机处理汽蚀数据更为精确、可信。何希杰【2 l j 介绍了叶片泵汽蚀破坏及预测方 法，简单介绍了日本关于汽蚀强度的计算方面的知识。李军【2 2 】基于界面跟踪方法 发展了新的汽蚀模型和算法，新算法不仅考虑液相气相界面处的压力差，而且利 用耦合r a n s 方程求解流场压力梯度信息来迭代计算附着汽蚀形状。通过试验表明 6 扬州大学硕士学位论文 所提出的汽蚀模型和算法能够准确模拟出汽蚀发生和汽蚀长度。 国外【2 3 】汽蚀现象领域中的一项重大研究成果，是发现了过流部件的汽蚀破坏 程度d e 出与泵的气泡长度三有如下的关系：d 剧d f = 碰28 3 ，且气泡长度有了近似计 算方法，这一发现直接导致了两项有较大应用价值的技术成果：第一，可以以计 算的方法确定泵内部不出现破坏的n p s h ，值。第二，提出了一些有效的提高泵抗汽 蚀性能的措施。比如，为防止轮毂处汽蚀初生，将叶片做成凹向，使用特殊的叶 片加厚规律以扩大无汽蚀区域的过流能力；以椭圆叶片进口边减低此处压力，等 等。这些措施对延长泵的运行寿命起到积极的保证作用。 目6 订国内外对水泵汽蚀产生的机理，汽蚀的修复研究的较多，对于过流部件 的汽蚀寿命研究的较少。 1 2 4 电机绝缘老化 线圈相当于电机心脏，非常关键，电机运行中故障除轴承外大多数起源于线 圈绝缘。电机经过长期运行，在多种因数的作用下，绝缘必会逐渐老化，电机定 转子绕组和铁芯叠片之i 、白j 的电气绝缘受到损坏，从而影响电动机正常、安全运行。 目的国内比较注重对绝缘老化原因、绝缘老化状念和剩余寿命诊断方法的研究。 王道明【2 4 根据对湖北省1 5 个市县2 0 个泵站2 0 0 余台电机的大量调查与部分电机 的现场测试，研究了这些电机运行的气候特点与故障时间的关系，分析了故障原 因及规律性，提出了部分电机运行中出现的问题，并结合泵站的运行特点，阐明 了对泵站电机绝缘寿命评定的见解。陈年平【25 l ，综合分析了电机绝缘老化的原因， 总结出了电机绝缘阻值下降的处理措施，对泵站电机操作运行有一定的参考价值。 朱林海1 2 6 】根据泵站运行条件和特点，分析电动机绝缘老化的原因，提出了老化鉴 别方法。电动机的绝缘老化主要有热老化、氧化老化、电老化、湿度老化和机械 老化。 电动机绝缘剩余寿命主要是通过绝缘测试的手段，获得大量的数据，对数据 进行整理计算，由专家进行评估，或根据已有的电机绝缘运行寿命曲线，进行比 较确定绝缘的剩余寿命。电机绝缘诊断的顺序一般为：( 1 ) 外观观察；( 2 ) 直流 电试验；( 3 ) 交流电试验；( 4 ) 综合评价。其中直流电试验项目包括：绝缘电阻 曹海红：大型水泵机细耐久性研究 的测定、极化指数的测定和直流泄漏试验；交流电试验通常包括：交流电流试验、 介质损耗角f 切及其增量的测定、局部放电检测。 不同类型的电机由于电压等级、负荷条件、运行方式的区别，绝缘劣化诸因 子在老化过程中所起的作用也不相同。在高压交流电动机绝缘老化过程中，起主 要作用的是电因子，剩余寿命的诊断主要是依据电参数来进行诊断。常用的高压 交流电动机绝缘状态和剩余寿命的诊断方法有【2 7 】：( 1 ) d 图像法。这种方法是一 种通过绝缘非破坏性试验测定参数：介质损耗角f 切值的增量t 9 6 、静电电容的增 量c c o 、电压为u 3 时的最大放电电荷量g m 。并以t g 万+ c c o 和g m 分别为y 和x 坐标，在坐标图上分别画出不同剩余寿命分布线，来诊断绝缘剩余寿命的方 法。( 2 ) 利用指数l o g 似d r 。) 来预报电动机的剩余寿命。测定干燥状态下绝缘电 阻值风( m q ) ，潮湿状态下绝缘电阻值足，( m q ) ，l o g ( r 批w ) 与剩余电压 之间将表现出一定的相关性，从而判断绝缘的剩余寿命。( 3 ) 用概率模型评估电 机绝缘剩余寿命。( 4 ) 电机绝缘状态的综合评价诊断法。由于电机运行环境不同， 电机很难用一、二种试验和数据做出结论，比较客观的方法是用多种电气试验数 掘和机械检查数据来综合诊断。同本东芝电气公司对高压交流电动机绝缘诊断制 定了判定基本系统，其中包括：试验项目、判定项目( 多种试验结果的数据) 、电 压等级、判定标准( 减点数) 。通过计算可以获得总的减点数，根掘总的减点数和 绝缘状念的关系判断电机绝缘状态。同时也可以根据减点数和剩余破坏电压的关 系，得出电机绝缘剩余寿命。 目前，电动机绝缘状态和剩余寿命的确定方法已经比较成熟，但根据大型水 泵配套电动机运行条件，确定各因素对电动机绝缘老化的影响，进而计算电动机 绝缘运行寿命的研究较少。 1 3 存在问题 大型泵站消耗的电能特别大，泵站运行效率对运行费用的影响很大，所以， 一直以来，多数学者重视应用流体计算软件优化叶轮及流道形式，提高泵站运行 效率。泵站自动化也成为研究热点。我国大型泵站建设运行已经有近五十年的历 8 扬州人学硕士学位论文 史，在泵站运行常见故障的种类、故障的检修处理方法等方面积累了许多经验， 但对产生故障的原因、减少故障的措施和水泵机组耐久性的研究较少。 长期以来，大型泵站一方面机组关键部件使用寿命短，机组刚久性差；另一方 面，主机组计划性检修周期的确定依据不充分，往往会导致维修过度或维修不足， 造成人力物力浪费，或机组可靠性降低，运行故障率上升。 综上所述，水泵机组嗣久性研究存在以下问题：( 1 ) 缺少关键部件受损因素 与运行寿命的研究；( 2 ) 缺少水泵机组耐久性的研究：( 3 ) 缺少确定水泵机组大 修周期的理论依据。 1 4 本文主要工作 水泵机组的耐久性直接影响泵站的安全运行和功能的稳定发挥，同时影响机 组检修周期的确定。本文将根扼大型水泵机组运行实际情况，确定影响水泵机组 耐久性的关键部件，计算基于可靠度的关键部件运行寿命，进而计算整个水泵机 组的耐久性，根掘耐久性定量、合理确定机组的检修周期，提出提高耐久性的措 施。 首先，针对水泵油润滑导轴承端面密封，应用磨损学知识，分析影响端面密 封磨损速率的因素，建立端面磨损率的计算公式，确定公式中各影响因素的变化 规律，计算基于可靠度的端面密封磨损寿命。 其次，针对水泵导轴承，应用滑动轴承磨损学知识，分析影响导轴承磨损速 率的因素，建立导轴承磨损速率的计算公式，确定影响因素的变化规律，计算基 于可靠度的水润滑导轴承的磨损寿命。 第三，分析确定影响水泵叶片汽蚀破坏速率和叶轮外壳间隙汽蚀破坏速率的 影响因素，建立叶片汽蚀破坏速率和叶轮外壳汽蚀破坏速率的计算公式，确定公 式中各影响因素的变化规律，计算基于可靠度的水泵叶片和叶轮外壳汽蚀寿命。 第四，介绍电机绝缘老化速率的影响因素和确定电机绝缘剩余寿命的方法。 根据电机绝缘老化速率的计算公式和公式中各影响因素变化规律，将所有影响电 动机绝缘老化因素的作用效果进行合成，计算泵站基于可靠度的电动机绝缘老化 曹海红：人型水泵机绸耐久性研究 9 寿命。 第五，根据水泵机组关键部件的耐久性，确定整个水泵机组的耐久性；应用耐 久性的定量关系，以平均年故障检修费用与由故障造成的直接经济损失之和最小 为目标，确定水泵机组的检修周期。 第六，提出提高水泵机组耐久性的措施。 曹海红：大型水泵机细耐久性研究 2 水泵导轴承耐久性 2 1 水泵导轴承失效形式 大型水泵一般只设置一只导轴承，中型弯管式水泵设置两只导轴承。水泵轴 和导轴承轴瓦的磨损量过大会造成机组轴线摆度过大，加剧振动，甚至会造成叶 片碰壳。据调查，水泵运行故障中绝大部分是导轴承故障，因此导轴承是水泵机 组运行可靠性的决定性因素之一。 水泵导轴承有油润滑导轴承和水润滑导轴承两种。油润滑导轴承承载能力大， 稳定性好，材料耐磨性好，无老化问题，耐久性好。但油润滑导轴承需要密封和 排水装置，当密封或排水装置破坏，漏水进入油润滑导轴承，导轴承润滑条件将 被破坏，水泵轴和导轴承磨损量剧增。 油润滑导轴承的密封主要有端面密封和梳齿迷宫环密封。其中端面密封的漏 水量远小于梳齿迷宫环密封，在非运行期和运行期分两者平均漏水量之比分别为 1 4 0 和1 1 9 。水泵运行一段时间后，端面密封动环与静环密封面磨损严重，表面 凹凸不平，相互啮合，一旦错位，就会大量漏水。 非金属水润滑导轴承结构简单、安装方便，费用低，无油润滑导轴承的进水 受损或润滑油溢出污染水质问题。但轴承材料蒯磨性能差，承载能力低，耐久性 差，特别是用于大中型卧式或斜式水泵，由于转动部件的重力作用，轴承载荷大， 运行寿命大都只有5 0 5 0 0 h 。 综上所述，油润滑导轴承的失效主要是由油润滑导轴承端面密封和排水装置 失效使导轴承进水引起。其中排水装置的破坏主要是由排水管设计不合理造成， 一般可以避免。因此油润滑导轴承的运行寿命主要依赖于端面密封的耐久性，即 端面密封的磨损寿命。水润滑导轴承轴瓦材料的耐磨性较差，运行磨损较快，严 重时会造成碰壳事故，因此水润滑导轴承的失效主要由水润滑轴承轴瓦磨损量过 大引起。 2 2 油润滑导轴承耐久性 扬州大学硕+ 学位论文 水泵油润滑导轴承的刚久性主要依赖于端面密封的耐久性。端面密封的泄漏 是由多因素造成的，正常原因是由于摩擦副之间的轴向间隙产生的泄漏；非j 下常 原因是由于辅助密封元件的损坏，如o 形圈密封环的形状和热装工艺有缺陷、摩 擦副与辅助密封圈的材料孔隙度过大。本节主要研究端面密封摩擦副之i 、白j 的正常 磨损。 2 2 1 端面密封摩擦状态 长期以来，机械密封端面间的摩擦工况问题一直是争论不休而没有得到完全 解决的问题【3 4 4 0 1 。e 迈尔认为：普通机械密封端面摩擦副之间的摩擦一般处于边界 摩擦工况。这一理论解决了在较大接触压力下，为什么软质摩擦副仍具有较长的 运行寿命问题。n a u 认为：目前在实践中应用的机械密封大量处于流体动力摩擦工 况。然而，l e b e d k 的试验研究表明，在水润滑条件下普通机械密封中并不能形成 足够的流体动压承载能力。a n 戈卢别夫利用流体力学和传热学，考虑缝隙内的 流体流动，分析流体膜出现的流体动压，认为流体动压是由于动静坏中一个环的 局部变形造成的，并提出了说明半液体摩擦( 混合摩擦) 的热流体动力楔理论。 s u m m e r s s m i t h 已经证明在一定条件下，端面不能运转于完全分离状态，而是处于 混合摩擦状态。这一理论解决了在相同参数下为什么有些密封可以在较低的摩擦 状态下运转的问题。目前，机械密封端面的摩擦工况可以分为流体摩擦、边界摩 擦和混合摩擦三种。 2 2 1 1 流体摩擦工况 机械密封端面摩擦副内，如果能够维持一层与滑动轴承一样的稳定润滑膜， 这种极薄的润滑膜可以将两个端面分割开来，此时摩擦仅由粘性流体的剪切产生， 从而使摩擦及磨损都大为降低，减少功耗也减少发热。这种工况下的摩擦称为流 体摩擦。 机械密封的端面间隙大小与表面粗糙度高度相近，在此缝隙中是否存在连续流 体膜和如何保证缝隙中形成流体膜层，是长期以来许多研究工作者探讨的问题。 到目前为止，不仅用仪器测试流体膜参数，还研究了不少成膜效应，出现了不少 密封结构，如流体动压密封、流体静压密封、流体动静压混合密封等。流体润滑 曹海红：人型水泵机组耐久性研究 密封理论的主要方面是流体膜润滑，其理论基础是窄缝粘性流体流动，主要控制 方程是简化的纳维斯托克斯方程。 2 2 1 2 边界摩擦工况 两密封端面摩擦时，其表面吸附着一种流体分子的边界膜，此流体膜非常薄， 使两端面处于被极薄的分子膜隔丌的状态，这种状态下的摩擦称为边界摩擦。一 般来说，边界膜的分子有3 4 层，其厚度为2 0n m 左右，并且部分是不连续的， 局部地方发生固体接触，载荷几乎是由表面高峰承担。液膜介质的粘度对摩擦性 能几乎没有多大的影响，摩擦性能主要取决于膜的润滑性和摩擦副材料。存在磨 损，但磨损量不大，泄漏量很小，是机械密封的理想摩擦工况。 在机械密封实践中，重载低速工况的接触式液体端面密封中才有可能出现分子 膜的边界摩擦状态，一般工况液体端面密封和气体端面密封中不会出现这种摩擦 状态。a n 戈卢别夫认为【3 3 j ：摩擦副的相对滑动速率高于5i s ，其间的单位压力 小于o 9 8m 胁就不会出现边界摩擦。 2 2 1 3 混合摩擦工况 随着端面波度的减小，摩擦副的间隙变小，会出现表面粗糙度的第一高峰的 接触，即出现接触表面间同时存在几种摩擦状态的混合摩擦工况。随着摩擦学的 深入发展，人们认识到实际上机械密封端面都是凹凸不平的粗糙表面，而密封面 的的液膜极薄，基本上与表面粗糙度处于同一数量级，一次表面形貌中的高频粗 糙度、低频粗糙度和整体形状误差中的径向锥度都对机械密封性能有很大的影响。 除了轻载、高速或高粘度工况的机械密封处于全膜流体摩擦工况外，实际运转中 的普通机械密封绝大多数是在混合摩擦工况下工作。在混合摩擦机械密封中，弹 簧的压力和介质压力形成的总外部载荷由密封端面间的液膜压力和微凸体接触共 同承担。总的摩擦力包括两部分，即润滑区有液膜粘性剪切引起的摩擦力和微凸 体接触区由微凸体变形引起的摩擦力。 杨慧霞【4 0 】1 9 9 4 年提出同时考虑机械密封端面的径向锥度、环向波度、各向同 性表面粗糙度以及油膜发散区的空化作用的两维