水泵轴承故障分析诊断与对策.doc

沅江36-23型循环水泵下部轴承故障诊断及对策丁国庆（安徽马鞍山发电厂汽机分场）摘 要：课题来源是根据安徽马鞍山发电厂五台沅江36-23型循环水泵现场使用出现的故障进行调研后得到；针对循环水泵轴承现场使用出现的损坏故障，进行详细叙述。对循环水泵轴承故障及失效特征，进行诊断（原因分析、判断）；确定循环水泵轴承损坏的原因，并提出改造方案；对改造方案及方案的设施的可行性进行计算和论证。目前，此类循环水泵在N125机组上广泛应用，问题的存在和问题解决具有普遍性。选择该课题的目的是为了解决五台沅江36-23型循环水泵现场使用出现的故障，意义在于此类问题的解决对汽轮机安全经济性有较大的影响，减少检修物力财力的不必要的浪费。通过调研拟定两种技术方案，方案一：循泵上下轴承更换型号；方案二：循泵轴向推力由上机架滑动推力轴承支撑；课题拟解决的关键问题是选取轴承型号，轴承载荷计算及校验，轴承更换型号后组合设计，变更循泵支撑方式后滑动推力轴承强度计算与校核，选取联轴器与计算。研究方法采用机械设计理方法论结合沅江36-23型循环水泵结构特点，参照其他类型水泵结构等进行研究。课题最终目标是根除五台沅江36-23型循环水泵轴承经常损坏的问题关键词：水泵、故障、诊断、改造方案、设施计算、论证0. 引言安徽马鞍山发电厂目前拥有两台125MW汽轮发电机组，每台机组配置两台循环水泵，增加一台备用循环水泵，共计五台循环水泵；五台循环水泵编号分别为#21、#22、#23、#24、#25；该五台循环水泵分别于9192年安装调试结束并投入使用。循环水泵主要技术规范如下：型 号：沅江36-23A 流 量：8460（吨/时）出口压力：0.265（MPa） 转 速：495（转/分）叶轮级数：1 级 轴 功 率：722 （千瓦）循环水泵结构特点，泵体设两脚不但要承受泵的主体重量，而且还要承受转子及残余轴向推力，进水管与出水管成平行方向连接；叶轮上有平衡孔和增设平衡筋用以平衡水泵在运行时所产生的轴向推力；泵轴承体及轴承盒可以脱离支座，在不拆卸支座和转子的情况下能更换轴承；水泵主要零部件有泵体、泵盖、上下轴承盒、叶轮、叶轮护头、叶轮护头盖板、轴套、轴、轴承挡套、紧定衬套、紧定衬套螺母、止退垫圈、垫圈、键、轴端拼帽、联轴器、传动轴。（见附图1）电机是湘潭电机厂制造，型号为YL100-12/1730，功率1000千瓦，转速495转/分。电机设有上机架和下机架，上机架由机架壳体、推力轴承、推力头、抱瓦、冷油器等部件组成；下机架由壳体、抱瓦、盘香管冷却器等部件组成。电机转子与下部接长轴相连，接长轴与水泵轴相连传递电机转矩，使水泵运转。电机结构图如附图2所示：1. 设备发生故障概况从现场使用情况，查阅五台循泵资料、历史台帐，对循环水泵轴承故障进行统计如下表：马鞍山发电厂#21-#25循环水泵轴承损坏统计表 名称时间#21循泵#22循泵#23循泵#24循泵#25循泵1991年投入使用投入使用投入使用1992年/1投入使用2投入使用1993年/1/11994年/1995年311111996年211/1997年11/11998年/1/1999年21/12000年1111/2001年31/总计128444循环水泵轴承故障直方图统计时间：2001/8/13 统计人：丁国庆2. 循环水泵轴承故障特征全厂五台循环水泵供两台N125机组循环冷却用水，#21、#22供#11汽轮机循环冷却用水；#24、#25供#12机循环冷却用水；#23是两台机组备用泵。上述五台水泵自投运后，运行值班人员反映#21、22循环水泵每次检修后不到两个月轴承温度普遍上升，用测温仪测得轴承体温度在68-80之间，轴承座振动不大，通常在0.02-0.03mm，用听棒检查轴承声音还算正常；在水泵轴承故障频繁发生的情况下，于95年9月在#21循环水泵上用日本进口轴承代替国产轴承进行轴承寿命试验，该水泵轴承运行使用不到半年就已失效；轴承润滑油由原来钙基黄牛油换为进口“XO”润滑脂，轴承使用寿命没有改善。针对轴承温度升高，检修维护人员采取引用一路水源对轴承体外部进行强制冷却，降低轴承温度以维持水泵运行，使轴承使用寿命延长3-5个月，倘若不采取此类措施，轴承很快损坏；通过对运行水泵统计，水泵轴承使用寿命为500-5000小时，远远低于轴承使用寿命；#23循环水泵属于备用泵一年中使用较少，水泵轴承损坏次数较#21、#22循环水泵少；#24、#25循环水泵轴承使用次数和#21、#22循环水泵情况相同，但轴承故障出现的频数较上述两台泵明显减少，检修工作人员反映该泵水泵端联轴器与水泵轴配合十分紧，每次检修水泵时拆卸和安装联轴器时都对联轴器进行加热后才能拆装联轴器。水泵的轴承损坏不仅对机组安全经济运行影响，而且给检修和运行维护人员带来诸多不便；一般情况下，更换一台水泵轴承检修工作量为5人10天，同时消耗一定数量的材料和轴承备品，造成经济上的不必要的损失。2.1.循环水泵轴承损坏情况概况轴承体上部设有两种形式轴承，一种为径向轴承为单列向心球轴承型号234，另一种为单列向心推力球轴承型号8240；轴承体下部设有3113140双列向心球面滚子轴承。通过查阅各台循环水泵技术资料和检修、运行历史台帐，单列向心推力球轴承（8240轴承）损坏次数最多，轴承运行时温度偏高大多数在水泵上部，现按各轴承损坏次数及轴承损坏部位进行统计如下表。轴承温度高和损坏按部位和时间进行统计 名称时间#21#22#23#24#25上部推力下部上部推力下部上部推力下部上部推力下部上部推力下部1991年/1992年/22/332/1993年/221994年/22/1995年23332222/1996年212233/1997年22/22/1998年22/33/1999年222/22/2000年2222222001年33322/合计1831812221721783252543929452727432注：表示轴承温度高；表示轴承损坏；符号前的数字表示发生次数统计人：丁国庆 统计时间：2001.9从上述统计结果看轴承温度高发生的部位主要集中在水泵轴承的上部，轴承损坏故障主要是上部推力轴承损坏。#21#25循环水泵轴承温度高发生在上部共56次，在下部的18次；#21#25循环水泵轴承损坏情况来看推力轴承共32次，上部径向轴承损坏11次，下部轴承损坏9次；在五台循环水泵中，发生轴承损坏和温度高故障频数最高的是#21循环水泵、其次是#22循环水泵，最少的是#23循环水泵而改泵是备用水泵，在全年当中使用的小时数很少，一般在夏季天气温度高且两台N125机组都运行的情况下使用。 轴承温度高柱状图 轴承损坏柱状图循环水泵轴承损坏失效特征五台循环水泵自1991年安装投入运行，进行大修15次，小修64次，消除水泵轴承损坏24次，检查轴承温度高300余次。从推力轴承损坏故障情况来看，轴承失效特征主要是推力轴承弹子轨道出现烂坑，弹子碎裂，弹子严重磨损和胶合，弹子和钢圈发热烧坏，弹子保持圈损坏。由轴承失效种类来看，无外乎两种失效形式：疲劳点蚀和塑性变形。疲劳点蚀是在推力轴承工作过程中，滚动体和内钢圈（或外钢圈）不断地转动，滚动体与滚道接触表面受变应力作用。此变应力可近似地看作脉动循环应力。由于接触变应力作用，首先在轴承表面下一定深度处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面，从而形成疲劳点蚀。轴承发生疲劳点蚀后，会产生嘈声和振动，导致轴承温度升高现象。轴承温度的升高和轴承振动，进一步加大了轴承的承受接触变应力的作用，促使轴承点蚀加剧，形成恶性循环，最终导致轴承损坏。塑性变形是当轴承转速很低或仅作摆动时，通常不会产生疲劳点蚀。但过大的静载荷或过大的冲击载荷会使轴承滚道与滚动体接触处产生较大的局部应力，当局部应力超过材料的屈服应力极限时，将导致较大的塑性变形，形成不均匀的凹坑，使轴承失效。3. 循环水泵轴承损坏原因分析及诊断从调查设备运行状况和了解现场检修情况看，#23循环水泵由于经常处于备用，故#23循环水泵轴承损坏次数为最少；1995年由于年度机组平均发电小时数达7000小时，1995年水泵轴承发生故障次数最多；各台循环水泵径向轴承损坏次数比推力轴承损坏次数要少得多；各台循环水泵在投运后23年内轴承没有发生的故障，随后几年轴承故障发生频率明显增加；#24、#25循环水泵轴承故障总的次数比#21、#22循环水泵要少。水泵投运之初轴承故障少，分析原因主要是由于检修拆装水泵使联轴器与轴配合紧力消失（因为每次检修轴承时，必须拆除联轴器；同时，在水泵安装后校水泵与轴承中心时，联轴器必须与接长轴之间分开一定距离。因此，将水泵联轴器延水泵轴向下移动。实际上，水泵轴与联轴器是间隙配合），从而使大部分轴向推力落到水泵推力轴承上；倘若，联轴器与轴存在过盈配合，将使一部分推力由电机承担，减少水泵推力轴承负担。现场测量水泵轴与联轴器的配合间隙为#21水泵是0.10mm,#22水泵是0.070mm。#24、#25循环水泵轴承故障总的次数比#21、#22循环水泵要少，经过调查和询问参与水泵检修人员，他们反映#24、#25循环水泵联轴器在检修时联轴器拆卸需加热方能拆除，配合明显较#21、#22水泵紧。因此，该两台水泵在运行当中有一部分轴向推力分摊到电机轴承上。这也证明了前面分析水泵投运之初故障频数较少，其后随着检修次数的增加使联轴器与轴松动，而使水泵推力轴承故障发生频率次数上升。4. 循环水泵轴承损坏技术方案拟定和论证经过对循环水泵轴承损坏原因分析和诊断，解决轴承损坏故障必须从两方面入手，即减少转子作用在推力轴承上的轴向受力和增大推力轴承承受轴向载荷能力。于是，派生出两种解决该问题的技术方案。方案一：循泵上下轴承更换型号；方案二：。这两种方案在解决轴承损坏问题并结合该循环水泵设备结构特点都是行之有效的办法。因为该循环水泵配备的电机自身具有滑动推力轴承，只要改变转子的连接方式，使水泵的推力的一部分分摊到电机滑动推力轴承上，就能完成方案一的实施。在实施方案一之前，必须解决以下几个关键问题。其一是验算电机滑动推力轴承的比压（压强）和轴承散热是否满足要求；其二是设计水泵转子与电机转子的连接方式，把水泵的残余轴向推力的一部分（或全部）分配到电机转子上，水泵的轴向推力由电机推力轴承承担；其三要进行转子结构改变后的一系列零部件的强度校核，以确定零部件的各部分尺寸和配合。方案二只需重新选择推力轴承型号，然后进行轴承寿命强度校核，再对轴承结构进行组合设计。为完成上述方案，必须明确水泵电机的受力情况。为此，通过查阅产品技术文件和询问制造厂技术部门，获得水泵电机工作性能和力学数据，现将有关数据列表如下：水泵电机工作性能和力学数据表水 泵型号流量（m3/h）扬程(m)轴功率(KW)叶轮直径(mm)转子重(T)轴向推力(T)飞轮力矩(Tm)效率(%)转速(r/min)沅江36-23A84602772210300.9720286.2495电 机型号功率(KW)转子重量(T)飞轮力矩(Tm)YL100-12/173010003.53.54.1.方案一：循泵上下轴承更换型号4.1.1. 选取轴承型号由于该水泵总的轴向推力为水泵转子自重与水泵工作中产生轴向推力之和，总的轴向推力达Fa=20.97吨，轴向推力是十分大，远远大于径向载荷。原长沙水泵厂设计的推力轴承与向心轴承的组合，使之分别承受轴向和径向载荷，此设计的轴承组合是正确的，故本次仍采用该设计方案。4.1.2.轴承载荷计算及校验4.1.2.1推力轴承的选取由于选用纯轴向推力轴承仅承受轴向载荷，初选单向重型推力球轴承，规格为8440。4.1.2.2推力轴承的当量载荷单向推力球轴承只承受纯轴向载荷FA，故当量动载荷P=FA；P=FA=20.9710009.8=205506N4.1.2.3推力轴承的寿命计算由机械零件设计手册寿命计算公式（3.11-1），有C=考虑轴承工作温度低于100，查机械设计基础及电厂金属材料表18-7取温度系数=1；查表18-8取载荷系数=1.2；对于球轴承取=3；轴承寿命=30000小时；水泵轴的转速n=495r/min。则：C=2373003N由机械零件设计手册查得8440型单列向心推力（重型）轴承额定动载荷Cr=5190000N3283095N，满足的当量动载荷。新型轴承（8440）与原型号轴承（8240）尺寸与参数比较型号内径()外径D()厚度H（）额定动载荷系数c（N）极限转速r/min额定静载荷c0（N）d3400155519000050029000008240200200.32806250000063010400004.1.3. 轴承更换型号后组合设计由于采用新型推力轴承内径未变，外径及厚度改变，因此应重新设计轴承座，以满足推力轴承尺寸变化。重新设计变动的部件有轴承座，转子结构等。4.2.方案二：循泵轴向推力由上机架滑动推力轴承支撑4.2.1. 变更循泵支撑方式后滑动推力轴承强度计算与校核4.2.1.1滑动轴承的压强p轴承的轴向力是水泵转子重量、电机转子重量与水泵运行时轴向推力三者之和，由制造厂提供的参数，得水泵总的轴向推力为：Fa=9709.8+35009.8+200009.8=239806Np=1.604MPa循环水泵推力轴承材料是ZChSnSb11-6,由资料查得，p=5MPa；由pp,故水泵转子及不平衡轴向推力改为电机上部推力轴承承担是可行的，满足滑动轴承强度要求。4.2.1.2滑动轴承的pv值由资料查得，pv=20MPam/svm=8.81m/spvm=1.6048.81=14.13 MPam/s故pvmpv，滑动推力轴承几何尺寸满足要求，不会引起轴承工作温度高而导致润滑油膜破裂或工作表面胶合。通过上述计算，证明了把水泵转子及残余轴向推力全部改为电机上机架滑动推力轴承承担是可行的。4.2.2. 传动轴与联轴器结构的设计为了使水泵转子及残余轴向推力通过联轴器传递到上机架滑动推力轴承上，必须改变联轴器结构，使水泵正常运行时联轴器不能与水泵轴、中间接长轴产生相对滑移；同时，联轴器与轴的联结要方便检修维护工作。现将水泵轴、中间传递轴与联轴器结构进行如下改变（附图3、附图4）。 附图3是水泵轴与联轴器的改进后结构，它传递水泵轴向推力是采用两只“L”型分半环，保留原水泵传动轴、联轴器、键；附图4，水泵与电机之间接长轴传递轴向力是通过增大联轴器与轴的配合紧力来实现，同时也保留原中间传动轴、联轴器、键；采用附图3所示结构，不需要控制水泵轴与联轴器的配合紧力，水泵轴与联轴器可选择间隙配合；当工作人员对水泵检修时，只要把联轴器往下方移动，取出两只分半卡环，再卸掉联轴器，即可方便更换水泵上下两只径向轴承，同时拆除中间传动轴；当校中间轴与水泵轴中心时可方便地把水泵端联轴器安装，中心校正合格后，只需放入两只分半卡环，连接好联轴器螺栓即可；同时，分半卡环在水泵轴上的位置一旦确定，水泵叶轮与泵壳轴向位置就虽之而定；当需要调整水泵叶轮与泵壳的轴向位置时，只需在“L”型分半卡环底部加减垫片就能方便地实现；中间传递轴选用附图4结构而未选用附图3结构，是因为中间轴在每次检修时不需要将联轴器与轴拆除，因此可选用紧力大的过盈配合来满足传递很大的轴向推力，同时结构简单。4.2.3. 分半卡环强度校核和尺寸确定确定分半卡环尺寸（如右图示）：截面A-A的展开长度l=410mm，高为h=20mm；B面宽度为b=20mm，材料#45钢。按剪切强度校核：由式：=28.55 MPa查=92MPa,，故满足强度要求。按挤压强度校核：由式：p=47.58 MPa查p=120MPa,pp，故满足强度要求。4.2.4. 原联轴器键强度校核原联轴器键的尺寸：bh=3620,L=320；材料#45钢调质处理。由于增加了分半卡环在计算压强时要减去分半卡环的高度h=20mm,l=300mm。按剪切强度校核：键