秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司（下稱秦電）大型離心風(fēng)機(jī)曾多次發(fā)生主軸磨損故障，致使風(fēng)機(jī)振動加劇，無法維持穩(wěn)定運(yùn)行，被迫停運(yùn)檢修，處理困難且所需時間較長，嚴(yán)重威脅機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。1999年至今先后10臺次處理軸頸，其中6次在機(jī)組運(yùn)行時被迫停運(yùn)風(fēng)機(jī)檢修處理，直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。本文主要針對此類故障進(jìn)行深入分析并介紹了采取的有效防范措施。
1、故障案例
案例-:2005年5月，2號爐2號一次風(fēng)機(jī)振動增大到o．2 mm，停運(yùn)解體，發(fā)現(xiàn)承力側(cè)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)套，緊定套鎖緊螺母松動，雖因搶修沒有拆下軸承進(jìn)行軸頸測量，但判斷軸頸已有磨損。
案例二：2002年，1號爐號1號一次風(fēng)機(jī)推力側(cè)軸頸磨損0-10～0. 15 mm，先后3次因振動超標(biāo)無法維持運(yùn)行而退出運(yùn)行檢修，于當(dāng)年9月小修進(jìn)行補(bǔ)焊加工修復(fù)。
案例三：2004年7月，3號爐B-次風(fēng)機(jī)推力側(cè)軸頸磨損0. 05～0.15 mm，先后3次因振動超標(biāo)無法維持運(yùn)行而退出運(yùn)行檢修，于2005年1月份小修時進(jìn)行補(bǔ)焊加工修復(fù)。
案例四：2005年1月3號爐小修時檢查發(fā)現(xiàn)A一次風(fēng)機(jī)推力側(cè)軸頸磨損0. 07～0.13 mm，進(jìn)行刷鍍修復(fù)處理。
案例五：2004年10月2號爐小修時檢查發(fā)現(xiàn)1號引風(fēng)機(jī)推力側(cè)軸頸磨損，磨損量為0. 20～0. 29 mm，進(jìn)行刷鍍修復(fù)處理。
從以上案例可以看出，離心風(fēng)機(jī)主軸磨損已嚴(yán)重影響秦電機(jī)組安全運(yùn)行。
2、故障分析
主軸磨損的主要原因是軸承內(nèi)圈與主軸軸頸的配合緊力不夠，內(nèi)圈與主軸的配合緊力小于運(yùn)行時滾動體與內(nèi)外套的摩擦力，導(dǎo)致軸承內(nèi)套與主軸配合處產(chǎn)生相對運(yùn)動。造成此類磨損的因素很多，主要有裝配工藝中的配合偏差、軸承裝配的工藝方法、聯(lián)軸器兩端面間隙偏差及對中偏差、運(yùn)行方式等。
2.1裝配工藝中的配合偏差
在軸承的配合上，重要的是給予承受負(fù)荷旋轉(zhuǎn)的套圈合適的過盈量。配合面之間的過盈量在裝配后和工作中是變化的，由于內(nèi)圈滾道受載弧面上的切向變形和熱張變形使得內(nèi)圈變大，因而導(dǎo)致內(nèi)圈和軸之間的過盈量減小，內(nèi)圈與軸的配合變松，而外圈的張大則使外圈與外殼孔之間的過盈量加大。因此，在選擇配合時一般應(yīng)將內(nèi)圈與軸的配合選得較緊一些，外圈與孔的配合選得較松一些。以運(yùn)轉(zhuǎn)中軸承溫升說明，如軸承內(nèi)部溫度和外殼周圍溫度的溫差為A℃，運(yùn)行中內(nèi)圈與軸溫差引起配合量的減少導(dǎo)致跑套，一般此溫差引起配合過盈量減少值由下面公式計算：
由此可以看出，軸承內(nèi)圈溫度超過環(huán)境溫度50℃時軸承內(nèi)圈的配合緊力即會消失而引發(fā)轉(zhuǎn)套。
同時，配合面加工的凸凹點(diǎn)，由于裝配作業(yè)時壓損，有效過盈量比目標(biāo)過盈量減小，一般因加工精度而異。30～150 mm左右的軸承的有效過盈量約為目標(biāo)過盈量的95%。如果存在配合偏差，以上因素均可導(dǎo)致無法滿足裝配要求，引發(fā)主軸磨損及轉(zhuǎn)套現(xiàn)象。
主軸與軸承配合有其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，配合緊力過大會導(dǎo)致軸承游隙減小且套圈變形，運(yùn)行時軸承發(fā)熱，噪音增大，外圈轉(zhuǎn)動。配合緊力過小會因緊力不足造成內(nèi)圈轉(zhuǎn)動。以一期一次風(fēng)機(jī)的軸承裝配為例，一期一次風(fēng)機(jī)軸承定位是靠緊定套結(jié)構(gòu)將軸承固定在軸上，如圖1所示。
軸承結(jié)構(gòu)為錐孔雙列調(diào)心滾子軸承，用緊定套安裝在圓柱軸上，靠鎖母敲緊將緊定套與軸承定位在軸上。根據(jù)軸承手冊，其配合緊力的大小是靠軸承緊固后的游隙變動量來確定。根據(jù)軸承公稱內(nèi)徑范圍，軸承的軸向方向壓入量應(yīng)為0.75～0.9 mm，徑向游隙的減少量應(yīng)為0.05～0.06mm，按照軸承的標(biāo)準(zhǔn)游隙0.17～0.22 mm計算，軸承裝配后的軸承游隙值應(yīng)為0.11～0.17 mm。且此測量值應(yīng)在主軸頂起狀態(tài)下，即避免因轉(zhuǎn)子自重外圈變形導(dǎo)致測量偏差。但在實(shí)際裝配中，往往對裝配標(biāo)準(zhǔn)不清楚或?qū)y量細(xì)節(jié)不認(rèn)真，導(dǎo)致配合緊力不夠，加之軸承運(yùn)行中的內(nèi)外溫差因素，引發(fā)運(yùn)行中軸承轉(zhuǎn)套、主軸磨損故障。
軸承的定位精度是杜絕配合偏差的可靠保證。因此，在裝配前，要準(zhǔn)確測量各部配合尺寸，滿足尺寸精度、形位公差及表面粗糙度配合要求。裝配中對主軸的圓度、圓柱度和軸肩跳動均有公差標(biāo)準(zhǔn)，與O級精度軸承相配的軸的圓度公差為IT4/2，圓柱度公差為IT4/2，擋肩跳動公差為IT3，配合表面光潔度應(yīng)達(dá)到6.3 S，尺寸公差應(yīng)比形位公差低一個精度等級即IT4。其中配合處所有測量工作應(yīng)以環(huán)境溫度為20℃情況下測量為宜。考慮現(xiàn)場環(huán)境的不定性，配合尺寸應(yīng)在現(xiàn)場相同環(huán)境溫度下測量，確保配合尺寸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果上述的裝配尺寸保證不了，必然影響到裝配緊力，比如安裝部分的擋肩如果精度不好，就會導(dǎo)致軸承內(nèi)外圈傾斜。3號爐B-次風(fēng)機(jī)推力側(cè)軸頸磨損后，在主軸圓周方向焊接焊道并手工修磨至配合尺寸，運(yùn)行后又發(fā)生內(nèi)圈轉(zhuǎn)套、焊道磨損現(xiàn)象，主要原因即配合精度與要求的標(biāo)準(zhǔn)精度相差較大。
2.2軸承裝配的工藝方法
大型風(fēng)機(jī)軸承裝配一般采用熱裝法，現(xiàn)場裝配時用油或軸承加熱器將軸承加熱至100℃左右，將軸承套裝至軸上，安裝后馬上用鎖母緊固，并用塞尺測量軸承與軸肩是否有間隙。存在間隙說明軸承未裝配到位，不能投入正常使用，因軸承加熱后不僅在徑向膨張。在軸向方向也有膨張。以3640軸承為例，其軸向?qū)挾葹?38 mm，與加熱溫差100℃比較，其軸向膨張量由公式(△L—La△t)可以算出為0.165 mm。因此必須在軸承冷卻后進(jìn)行再緊固，以確保軸承的軸向緊力。引風(fēng)機(jī)因通流介質(zhì)溫度較高，軸漲位移較大，如果軸向緊固力不足，易引發(fā)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時軸承轉(zhuǎn)套。
2.3聯(lián)軸器兩端面間隙偏差及對中偏差
聯(lián)軸器的精確找正，可以保證轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、不振動。否則，將使軸和聯(lián)軸器產(chǎn)生很大的應(yīng)力，嚴(yán)重地影響軸、軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此聯(lián)軸器的精確校正是檢修裝配中的一個重要環(huán)節(jié)。
秦電在裝運(yùn)行的大型離心風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器型式有以下3種：一期送風(fēng)機(jī)彈性圈柱銷聯(lián)軸器，一期引風(fēng)機(jī)為尼龍柱銷式聯(lián)軸器，一、二期一次風(fēng)機(jī)為剛撓性聯(lián)軸器。
由圖2顯示，送風(fēng)機(jī)彈性圈柱銷聯(lián)軸器，只要保證銷孔與彈性圈之間留有一定的間隙(O，5～2mm)，使兩聯(lián)軸器之間能沿圓周方向活動，該聯(lián)軸器能夠很好地消除機(jī)、電聯(lián)接的軸向力。由圖3顯示，一次風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器因軸向、徑向偏差產(chǎn)生的軸向力通過簧片直接傳遞到軸承部。
由圖4可以看出，當(dāng)引風(fēng)機(jī)兩對輪間隙超過給定值時，便產(chǎn)生了軸向力。其軸向力在運(yùn)行中始終存在，電機(jī)軸瓦軸向允許移動量大，不受聯(lián)軸器影響，風(fēng)機(jī)承力側(cè)軸承為自由軸承，可以自由伸縮，受軸向力影響較小。而風(fēng)機(jī)推力側(cè)軸承為風(fēng)機(jī)的定位軸承，推力間隙一般為0.20～0. 40 mm，允許位移的變動量很小，如果聯(lián)軸器間隙不當(dāng)，由聯(lián)軸器產(chǎn)生的軸向力在運(yùn)行當(dāng)中一直存在，推力軸承一直受交變軸向力作用，極易引發(fā)軸承轉(zhuǎn)套。由上述案例看出，5臺故障風(fēng)機(jī)，其中4臺為推力側(cè)主軸磨損。例如2號爐l號引風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器正確連接的磁力中小位置為150 mm左右，而實(shí)際的連接尺寸為155 mm。
2.4運(yùn)行方式的影響
離心風(fēng)機(jī)一般為人口擋板截流調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)應(yīng)盡量避開不穩(wěn)定運(yùn)行工況區(qū)。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，因進(jìn)出口存在壓差，必然存在一定的軸向負(fù)荷。風(fēng)機(jī)均有消除或減小軸向力的設(shè)計，如一期引風(fēng)機(jī)即為雙吸風(fēng)機(jī)，但由于兩側(cè)進(jìn)風(fēng)不均尤其在擋板開度過小時，擋板開度處在入口氣流渦流區(qū)域劇烈振動，曾多次導(dǎo)致?lián)醢遢S斷裂。此運(yùn)行工況對風(fēng)機(jī)軸向載荷影響最大，如負(fù)荷調(diào)峰期不進(jìn)行高低速倒運(yùn)，單純的用入口檔板小流量截流調(diào)節(jié)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)軸向振動增加，會對軸承造成沖擊而誘發(fā)轉(zhuǎn)套，不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。單吸風(fēng)機(jī)在并聯(lián)運(yùn)行工況不一致時，會因風(fēng)量及風(fēng)壓的不一致導(dǎo)致單臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況惡化，軸向負(fù)荷加大。例如2004年5月13日9：00，1號爐1號一次風(fēng)機(jī)推力側(cè)軸承溫度65℃，準(zhǔn)備安裝冷卻風(fēng)機(jī)冷卻。9:20安裝冷卻風(fēng)機(jī)過程中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)入口擋板全關(guān)，就地檢查測量軸承溫度60℃（畫面顯示68℃）且逐漸上升，準(zhǔn)備換油；10:00就地溫度達(dá)到69℃（畫面顯示78℃）時換油，溫度降至就地65℃（畫面74℃）；10:40左右溫度繼續(xù)上漲，正在進(jìn)行第二次換油過程中，軸承溫度已超過80℃，且溫升加劇，風(fēng)機(jī)停運(yùn)。環(huán)境溫度升高，致使風(fēng)機(jī)軸承溫度有所提高，屬正常現(xiàn)象。但在處理過程中關(guān)閉該風(fēng)機(jī)人口擋板，兩臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況不一致，致使該風(fēng)機(jī)軸向負(fù)荷急劇增加，運(yùn)行不穩(wěn)，軸承承受軸向負(fù)荷過大導(dǎo)致溫升劇烈增加。以上兩種運(yùn)行方式是在運(yùn)行期間誘發(fā)軸承轉(zhuǎn)套的主要問題。
3、預(yù)防措施
根據(jù)以上的原因分析，在預(yù)防軸承轉(zhuǎn)套的措施上，首先要在安裝中杜絕各部件配合的裝配尺寸偏差，保證配合公差滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對于各相配零件的尺寸精度、形位公差及表面光潔度應(yīng)滿足裝配標(biāo)準(zhǔn)，不符合標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)進(jìn)行加工修復(fù)。在裝配工藝上，應(yīng)杜絕不正確的軸承裝配方法，保證軸承定位的軸向緊力。對于聯(lián)軸器的校正安裝，應(yīng)確定安裝的磁力中心位置，消除軸向力達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。
其次，應(yīng)根據(jù)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的油脂狀態(tài)、振動的發(fā)展趨勢對軸承的運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合分析。
3.1潤滑油監(jiān)測法
對軸承使用的潤滑油進(jìn)行系統(tǒng)分析，了解軸承潤滑與磨損狀態(tài)，查明故障原因和部位，及時采取措施扼制事故發(fā)生。對于潤滑油中的金屬成分磨損顆粒的含量變化應(yīng)做好跟蹤記錄。隨著設(shè)備運(yùn)行時間的延長，金屬元素的種類和數(shù)量均會發(fā)生相應(yīng)改變，根據(jù)變化趨勢可以判斷設(shè)備產(chǎn)生磨損的部位和狀態(tài)。該方法適用于對故障進(jìn)行早期預(yù)報，一般在風(fēng)機(jī)投運(yùn)后對潤滑油定期進(jìn)行抽檢化驗(yàn)。主要根據(jù)潤滑油中鐵元素的含量來判斷主軸是否磨損，由于此方法適用于磨損的早期判定，還要結(jié)合風(fēng)機(jī)運(yùn)行的振動參數(shù)來綜合分析判斷。
由表1可以清楚看到，當(dāng)主軸存在磨損狀況時，油中的金屬鐵、鉻、銅的含量已達(dá)到換上新油后的2～3倍。
3.2振動判斷法
旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承故障在現(xiàn)場應(yīng)用中復(fù)雜多變，主軸磨損后由于配合部位存在間隙會引起風(fēng)機(jī)振動的變化，通常以振動信息為依據(jù)，對軸承轉(zhuǎn)套故障進(jìn)行故障診斷與監(jiān)測可得到較好的預(yù)知效果。例如秦電一期的1號引風(fēng)機(jī)推力軸承的跑套故障，在前期會出現(xiàn)如圖5所示的故障特征，在軸承明顯出現(xiàn)周期性的脈沖時，說明軸承已經(jīng)發(fā)生了劣化。并且根據(jù)振動數(shù)據(jù)的趨勢可以發(fā)現(xiàn)軸承的高頻能量的增加，如圖6所示，而由此進(jìn)行軸承的檢查，確認(rèn)軸承內(nèi)套的嚴(yán)重磨損，事后進(jìn)行軸承更換及軸頸的處理，使軸承運(yùn)行達(dá)到了穩(wěn)定。如圖7所示為修后的軸承的穩(wěn)定狀態(tài)的時域波形。
3.3停機(jī)檢查法
如圖8所示，適用于檢修或故障檢查時對磨損較嚴(yán)重的軸的檢查。首先檢查油箱內(nèi)潤滑油是否干凈，主軸磨損后有大量鐵屑沉積在軸承箱下面，潤滑油呈黑色，主軸徑向磨損的同時伴隨著軸向磨損，軸肩或鎖母部位產(chǎn)生間隙，因主軸磨損后程外大內(nèi)小的倒錐型，軸承支撐轉(zhuǎn)子的支撐點(diǎn)有所改變，外側(cè)下面珠粒與軸承外套產(chǎn)生間隙，表現(xiàn)為松動，而外側(cè)上面珠粒對軸承外套產(chǎn)生向下的壓力，表現(xiàn)為卡澀。此檢查法適用于對磨損嚴(yán)重且未進(jìn)行解體測量主軸的快速判斷。圖8為主軸磨損時的軸承定位狀態(tài)。
4、磨損后的處理方法
4.1刷鍍法
是利用電鍍技術(shù)將溶液中的金屬離子鍍在磨損主軸表面，使主軸尺寸達(dá)到配合要求的一種方法。其優(yōu)點(diǎn)是鍍層均勻，接觸面積大，配合較好，修復(fù)時間短，適用于故障搶修；其缺點(diǎn)是刷鍍前需對主軸進(jìn)行仔細(xì)打磨去除所有毛刺及銹蝕，否則易造成鍍層脫落。刷鍍時對電流及溫度要求高，控制不好同樣造成鍍層脫落。風(fēng)險性較高，刷鍍時要求連續(xù)性均勻盤車，否則將導(dǎo)致鍍層不均，不適合盤車?yán)щy的風(fēng)機(jī)搶修工作。因刷鍍層一般不超過o．10 mm，故不適合磨損嚴(yán)重的主軸。雙支撐風(fēng)機(jī)主軸磨損的共性為：主軸磨損一般越靠軸肩部位磨損越嚴(yán)重，磨損后的主軸都帶有一定錐度。而刷鍍時電刷靠軸肩部位不一定刷到，刷鍍完后主軸圓柱度偏差大。如2號爐1號引風(fēng)機(jī)2004年11月檢修，主軸磨損進(jìn)行刷鍍處理，室外溫度低，連續(xù)刷鍍14 h，運(yùn)行時搶修，因無法進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)部盤車，因此引風(fēng)機(jī)主軸磨損搶修時不適合刷鍍方法。3號爐A-次風(fēng)機(jī)在2005年1月小修時因主軸磨損進(jìn)行刷鍍處理，刷鍍后配合段軸向偏差大，僅有30%～40%的軸向尺寸達(dá)到配合要求，軸承裝配后造成軸向擺動，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)啟運(yùn)時振動超標(biāo)達(dá)0.10 mm，停運(yùn)后對該軸重新進(jìn)行研磨處理，恢復(fù)運(yùn)行后正常。
4.2周向焊道法
是在磨損主軸圓周方向直接焊接焊道，然后將焊道進(jìn)行銼銷及磨銷加工，使焊道部位局部達(dá)到配合尺寸的方法。其優(yōu)點(diǎn)是修復(fù)時間短，適合故障搶修，不受磨損量的限制。其缺點(diǎn)是測量誤差大，修復(fù)后軸頸配合接觸為線接觸，接觸面積小，軸頸圓度偏差較大。預(yù)留緊力小時，裝配后達(dá)不到配合緊力，預(yù)留緊力大時，易造成軸承徑向的彈性變形，適用于對配合緊力要求較松的過渡配合。如1號爐1號引風(fēng)機(jī)軸承配合要求為D200h7，1999年主軸深度磨損進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，修復(fù)后運(yùn)行良好，2000年更換轉(zhuǎn)子時對軸頸進(jìn)行檢查，未見轉(zhuǎn)套及磨損現(xiàn)象。3號爐B-次風(fēng)機(jī)配合要求為D130m6，配合要求過盈量大，2004年7月因振動超標(biāo)無法維持運(yùn)行，停運(yùn)搶修時同樣進(jìn)行焊道修復(fù)處理，在2005年1月小修時發(fā)現(xiàn)有磨損及轉(zhuǎn)套現(xiàn)象，后來對該轉(zhuǎn)子進(jìn)行了補(bǔ)焊加工修復(fù)。
4.3補(bǔ)焊加工法
是將轉(zhuǎn)子拆除，對主軸磨損部位進(jìn)行補(bǔ)焊，然后將主軸放至車床、磨床上進(jìn)行加工處理，直至達(dá)到裝配的精度要求。其優(yōu)點(diǎn)是加工精度高，各裝配部件能夠完全達(dá)到加工的精度要求，裝配公差滿足技術(shù)要求；其缺點(diǎn)是檢修工作量大，檢修時間長，不適合在機(jī)組運(yùn)行時搶修，焊接過程因熱量大容易造成主軸彎曲，修后需進(jìn)行彎曲度檢查及矯正，轉(zhuǎn)子需進(jìn)行動平衡試驗(yàn)，修復(fù)費(fèi)用高且受場地限制。
以上3種方法各有利弊，須根根據(jù)工作的實(shí)際情況靈活運(yùn)用。
