大型立式水泵推力轴承磨损润滑的分析与对策

大型立式水泵推力轴承磨损润滑的分析与对策

[摘 要] 本文主要针对大型水泵推力轴承中的重要部件的磨损、变形以及由此而引发的润滑、调整问题，运用理论分析和探讨的方法，结合多年来对实际设备所出现问题的探讨及经验积累，进行综合分析。在分析论证的基础上，汇总如下结果，即：推力瓦、镜板磨损变形与其检修质量、调整、润滑、运行工况密切相关。因此，针对问题得出这样一个结论，必须提高推力瓦、镜板检修质量；改善润滑性能，改善冷却器冷却效果，降低油温；避免水轮机运行；防止轴电流对镜板、推力瓦的侵蚀等。并提出一些综合治理的方法和新的工序工艺，解决大型立式水泵普遍存在的推力瓦轴承磨损问题，以便提高设备健康水平，保证设备的运行稳定性和可靠性。

[关键词] 轴电流；磨损；变形；润滑 一、 概述：

1、大型立式水泵的推力轴承，是应用液体润滑承载原理的机械结构部件，主要由推力瓦、镜板、推力头、冷却器等部件组成。推力瓦是推力轴承中的重要部件，它是整个机组转动部分和固定部分的摩擦面，并且承受整个机组转动部分的重量和轴向水推力。轴承运转时，要求各轴瓦均匀地承受推力负荷，如果各轴瓦受力不均，将产生较大温差，造成个别轴瓦温度增高，瓦面变形磨损增大，影响机组安全运行。在额定工况下，推力瓦温度不得超过70℃，但如能使各推力瓦受力均匀，则可提高推力轴承的承载能力，减缓推力瓦磨损及热变形，同时也防止镜板的磨损，提高设备运行的稳定性，所以，除设计和制造上必须保证其必要的条件外，安装、检修、维护调试对机组综合性能起着重要的作用。

2、推力轴承要保证在油润滑条件下运行，必须使出油边的最小油膜厚度，符合设计值（如：大型机组推力轴承油膜厚度一般在0.03∽0.07mm之间）。这就要求镜板有较高的精度和较低的粗糙度，如果镜板的粗糙度高，则轴承摩擦损耗增大。镜面如有伤痕或锈蚀等缺陷，则可能破坏油膜，甚至造成烧瓦事故。所以，镜板研磨、推力瓦刮削以及对镜板、推力瓦的检修调整工作就显得十分重要。另外，要求镜板保证其波浪度，其平行度根据不同的机组一般为0.02mm/m，推力瓦之间相互高差一般控制在0.02mm之内，即要求推力瓦的平面度与镜板的平面度相近才行。如果，镜板与推力瓦的平面度不好，其偏差超过了最小油膜厚度，会破坏推力瓦与镜扳之间所建立的油膜。推力轴承就会在半干摩擦或干摩擦状态下运行，造成烧瓦事故或瓦面损坏。此外，推力瓦的受力也与它本身的平行度直接相关，只有接触面积大，才能使推力瓦承受较大的压力。如果，推力瓦凸凹不平，具有局部高点，受力集中，也会发生烧瓦事故或瓦面严重磨损。

3、研磨镜板和刮削推力瓦是立式机组（大型立式水泵、立式水轮机组）必不可少的项目。只要使推力瓦具有良好的平面性，与镜板有良好的接触性，保证水泵机组启动时，在推力瓦瓦面与镜板之间迅速建立起油膜，并在机组运转时始终保持有一定的油膜厚度而不被破坏，才能保证推力轴承良好的稳定性和运行的安全可靠。

综上所述，推力轴承的磨损多发生在推力瓦与镜板两个方面，解决的关键问题点就集中在磨损润滑方面。

二、 推力瓦磨损分析

1、推力轴承按其支柱形式不同主要分为刚性支柱式、液压支柱式、平衡块式三种，因立式水泵与水轮发电机组相比，毕竟轴向负荷较小。所以，大型水泵普遍所采用的是刚性支柱式， 它的缺点主要集中为检修后或安装调水平难、受力不易调整，调整工作量大，运行时各瓦块的负荷不均（这种现象主要是安装、加工、调整引起的）。推力瓦是推力轴承中的主要部件，呈扇型分块式。一般在轴瓦的钢坯上浇注一层厚约5mm的锡基轴承合金，由于轴

瓦受力不十分均匀，尽管轴瓦的底部有托瓦（均匀受力，减少变型），但水泵经过长期运行，还是不可避免地出现磨损变形。如下图所示为推力瓦磨损变形的痕迹

2、从以上瓦面磨损情况可以看出，磨损有一定的规则性，那么为什么会出现如上图的磨损划痕呢？经过长期检修观察，总结分如下原因。

（1）前面我们已经介绍过，保证机组启动时，在推力瓦面与镜板之间应迅速建立起油膜，并在机组运行时，始终保证有一定的油膜厚度而不被破坏，才能保证机组安全可靠的运行。事实上当镜板与瓦面相对旋转时，将润滑油带进镜板与推力瓦的接触面间，形成一层油膜，使镜板与瓦面之间形成液体摩擦。进油侧比出油侧油膜厚，即形成楔形油膜。也就是说，机组在正常运行时，通过镜板传递的轴向力（包括转子重量、轴、镜板重量等），是通过镜板与推力瓦之间的高压油膜而传递给推力瓦承受的。即机组正常运行时，由于油膜的作用，使静止与转动部分两平面之间通过油膜而分开，镜板是悬浮在推力瓦上，而并非处于半干摩擦或干摩擦状态，如果处于半干摩擦或干摩擦状态，则会发生严重的瓦面磨损或烧瓦事故。（2）镜板是推力轴承的关键部件之一，当轴承运行时，油膜厚度只有0.03∽0.07mm。因此，要求镜板有较高的精度和较低的粗糙度。

第一、镜板的粗糙度高，轴承的磨损增加；镜板表面有伤痕、硬点、毛刺等缺陷，轻则致使镜面出现磨痕，而影响推力瓦，重则破坏油膜出现事故，这是镜板表面出现划痕的原因之一。 第二、镜板采用45号锻钢制成，两平面的硬度值一般为180∽220HB，镜面硬度差值小于30HB。但个别镜板，因刚度偏小，在长期运行后产生微小变形，且镜板在制造加工过程中不可避免地产生波浪度。如若润滑油过滤不够，或油槽中有杂质，则其中的杂质颗粒在运行中沿油流方向，悬浮运动并恰好悬浮至镜板波浪度的波峰处时，不可避免地在镜板与推力瓦瓦面上产生划痕。因推力瓦瓦面采用钢瓦坯面加工鸠尾槽浇铸巴氏合金，故其硬度低，易引起划痕。这也是产生磨痕、划痕的原因之一。

第三、因轴瓦与巴氏合金不脱开，由于钢和巴氏合金的热膨胀系数不同，受热后易变得起伏不平，特别是在鸠尾槽处的合金有明显的凸起。另外，由于刚性支柱的托瓦刚度太大。一方面可减小机械变形，另一方面由于瓦的变形会在托瓦的对应方向的瓦面上产生磨痕，这也是瓦面产生磨痕的一个重要因素，同时也严重影响着镜板工作面，这一点往往被人们所忽视。以上三点，是影响镜板工作面的主要因素。

（3）在每次设备检修时，都要根据磨损情况，进行推力瓦的刮研，而推力瓦刮削一般要求达3∽5点/平方厘米，且刀花的深浅分布要符合质量标准要求。如刮削时有毛刺或高点，也会向上述所分析的那样在波浪度的波峰处产生磨痕或划痕。

（4）还有如下因素加之如上所述的一些不利因素并和这些因素相结合，也会导致镜板及推力瓦的磨损或出现划痕，即：

a 、卡环厚薄不均，影响推力头平面与主轴的垂直度。这一点如不是首次安装一般不会出现，但在特殊情况下也会出现。

b、推力头底面与主轴的垂直度不好。

c、推力头与镜板之间绝缘垫厚薄不均，即：加垫不合理或在检修时未将上次的绝缘垫进行登记复原而加错垫。所以在检修时一定要严格检修工序工艺，加强责任心。 d、镜板精度不够，平行度较差。

e、电机主轴法兰与水泵泵轴法兰面不平行，主轴与法兰面不垂直。

f、镜板、推力头与主轴的垂直度不够。

（5）推力瓦瓦面的划痕、磨痕产生的原因在上面进行了分析，但还有一个重要的因素，即如下图所示瓦面偏心处的圆形磨痕是怎样产生的呢？

a、根据监测推力瓦在正常运转时进油温度一般为36℃，平均出油温度一般为51℃，参照如下图瓦温场。

b、刚性支柱式推力轴承在正常运行时，支柱螺栓支承部位的温度较高，促使支承中心处的瓦面因温度的升高而变形凸起，如下图。瓦面热变形导致瓦面单位压力增大，容易使瓦面磨损或烧瓦，瓦面磨损的部位正是受力集中的部位（高温度场区），即支柱托瓦的周围线附近。支柱托瓦直径的大小,就是瓦面磨损的圆形磨痕，正是瓦面热变形后，支柱托瓦抵抗变形而产生的。

（6）避免水轮机运行

水泵在停止运行以后,如若泵出口的逆止阀关不严或液压控制蝶阀关闭不到位,则倒泄水流加大。水泵开始反转并逐渐加速，水泵中水压也不断升高，倒泄水流很快达到最大值，反转速也因而上升。但随着叶轮转速的升高，它作用于水的离心力也越来越大，从而阻止水流倒泄，倒泄流量降低，引起管中正压水锤，反转速达到最大值，倒泄流量继续减小，由于倒泄流量继续减小，反转速从而降低。但水泵在无任何负载的情况下空转，即低速运转时间较长，推力油膜厚度被破坏，致使推力瓦与镜扳处于半干摩擦状态，加速轴瓦、镜扳的磨损和轴瓦的热变形，而使推力瓦磨损加重，从而导致镜扳进一步磨损。在正常水泵工况下，由于水泵惯性较大，水泵在停泵后，低速正转时间较长，也是引起推力瓦磨损的原因之一，但主要是应避免在水轮机工况下空转（即反转）。可以认为，危险油膜厚度不完全取决于推力轴承是否处于半干摩擦状态，而在于这种状态所持续的时间长短。所以，不论是启动、停机，均要求水泵机组能迅速地度过半干摩擦状态，尽可能地缩短机组在此状态下运转时间，无疑是很重要的。

三、 镜面磨损分析

上述分析的几种现象，不但可引起推力瓦的磨损，同时无疑也影响到镜板。由于推力头与主轴多采用过渡配合或过盈配合，主轴的摆度便直接传到推力头与镜板上，因镜板较薄，它在推力瓦作用下，产生周期性的波浪变形，如下图所示，镜扳在两推力瓦之间的位置处，它与推力瓦之间有缝隙，这一现象在大型水轮发电机的推力轴承盘车时可以看到，而水泵自身重量小不易看到，但微观上还是存在。当这一位置转到推力瓦上时，缝隙就会被压合。当出现缝隙时，由于体积突然扩大，产生真空，油被吸入而产生汽泡（气穴）。当汽泡突然收缩，加剧积聚，形成高能撞击镜板表面而溃灭，重又产生汽泡，形成了气穴过程，引起了气蚀破坏。使镜扳结合面出现了麻点、坑穴，减小了受力面积，进而扩大了气蚀区域。这种恶性循环，不但破坏了轴线，而且促成了摆度的增大。同时也影响到镜板、推力瓦的磨损，造成水泵机组振动增大、推力油温、瓦温升高，也加速推力瓦、镜扳的磨损。另外，如果润滑油过滤不够，则油中的杂质、推力瓦刮削的凸点等等，如若正好与镜板波浪度的高点相遇，再结合以上因素。无疑将加快轴瓦、镜板的磨损和油温的升高。因此，给推力头与镜板处加垫，保证推力头、镜板与主轴的垂直度，保证推力瓦水平高差在技术要求的范围内（即每块瓦之间的偏差小于0.02mm）,是十分重要的。 四、润滑用油对推力瓦的影响

大型水泵的推力轴承广泛应用液体润滑原理进行润滑。即在适当条件下，摩擦副的两摩擦表面可以由一层具有一定厚度的粘性流体完全分开，由液体的压力平衡外载荷，液体层中的分子大部分不受金属表面离子电力场的作用而可自由移动，这种状态才是液体润滑。由于两摩擦面不是直接接触，当两表面相对滑动时，只在液体分子间发生摩擦，因而液体润滑的摩擦性质完全取决于流体的粘性而与两个摩擦表面的材料无关。但这种润滑有摩阻低、摩擦系数低（通常为0.001∽0.008）的特点，可以改善摩擦副的动态性能，有效地降低磨损。所以，在滑动轴承摩擦副中，只要在摩擦表面间形成液体润滑，就可以显著改善部件（镜扳、推力瓦）性能和减缓磨损。液体润滑油膜的产生可分为流体动压和流体静压润滑两种，水泵推力轴承采用流体动压润滑形成油膜，平衡外载荷的，因而涉及摩擦表面的几何形状、尺寸、间隙、流体粘度、相对运动、速度和载荷等。所以，第一、选用润滑油必须要求适当的粘度、

良好的吸附和楔入能力、一定的油膜强度和稳定性以及良好的化学性能。第二、润滑油的粘度随温度的升高而降低，因此，所选润滑油应具有在轴承工作温度下能形成油膜。第三、依据以上原则结合水泵的参数（主轴轴颈线速度、工作温度、载荷的大小等）选用一定牌号的润滑油。第四、降低推力轴承油温，提高推力冷却器的性能，并防止冷却器渗漏水现象（即防止气穴形成，促使镜面锈蚀或出现麻点）。第五、严格过滤油质量，防止水分及杂质进入润滑油 。

五、轴电流对推力镜板的影响

水泵正常运行时，在主轴上会产生一定数值的电压。即由于定子铁芯有合缝，定子与转子不圆或定子与转子空气间隙不均，在水泵运行时，磁力线不平衡，不完全平衡的磁力线与转轴相切，就产生了轴电压，大型电机达5∽15v。因轴电流的存在，它在镜板（轴颈）和轴瓦间产生小电弧的侵蚀，使轴瓦合金逐渐粘吸到镜板上，破坏轴瓦工作面，引起推力瓦过热甚至烧瓦事故的发生。此外，由于轴电流的电解作用，也会使润滑油变黑，降低润滑性能，使轴承温度升高。为了保证机组运行，防止轴电流对镜板和轴瓦的侵蚀，必须采取措施，切断轴电流回路。即在推力头与镜扳之间加绝缘垫。并起到绝缘和调整轴线的双重作用。

六、结论

为保证大型水泵的运行稳定性，应对推力轴承系统，进行科学调整和综合治理。通过以上诸项分析，对所发现的问题，提出以下相应对策和解决的办法，以促进设备的不断完善。 1、推力瓦方面改善推力油冷却器的水循环，降低推力轴承油温，以减小推力瓦的热变形，因轴瓦受力不均，运行中轴瓦温差一般达5∽8℃，所以还要进行推力轴承受力调整。 2）根据推力轴承有关参数要求及润滑油选用原则，选用适合的润滑油牌号。严格检修工艺质量，保证过滤油质量，避免油中杂质进入。

3）在轴瓦刮削时，注意在轴瓦中部约轴瓦瓦面积1/2的扇形刮低0.02∽0.03mm，刮削后瓦面达3∽5点/平方厘米。中部刮低，以减小由于支柱托瓦抵抗热变形而产生的单位压力增大和瓦面损坏。

4）提高传动主轴与镜板的垂直度，保证镜板、上机架水平在0.02mm/m之内，也就是通过刮削推力头与镜板之间绝缘垫来实现。调整轴线时，首先要调整好推力瓦水平高差、镜板等水平，然后调整机组总轴线并保证各处摆度符合质量要求。检修后测定机组油温、瓦温、振动值及推力油膜厚度来评判机组。

5）避免水泵在水轮机工况下运行，要保证泵出口逆止阀、液控蝶阀工作可靠。

2、镜板方面

1）依测定结果，进行绝缘垫的刮削调整，保证镜板与主轴的垂直度。测定推力头与镜板、推力瓦与镜板的绝缘（其相互绝缘电阻大于1MΩ，充油后大于0.3 MΩ），防止轴电流侵蚀镜板，引起油温升高瓦面变形或烧瓦事故，或镜板损坏现象。以及由此而出现的润滑油变黑劣化现象等。

2）检修中发现镜板有锈蚀、划痕、磨痕等应进行研磨，研磨后镜板表面粗糙度达到0.05μm以下。合理选用研磨材料用M5∽M 10粒度的Cr2O3进行研磨,控制研磨转速，经粗、精、细磨削达到质量要求。或送制造厂进行精车研磨或珩磨处理。

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