林志海

（大唐發電股份有限公司張家口發電廠，河北張家口　075000）

　　摘　要：本文主要針對大型水泵推力軸承中的重要部件的磨損、變形以及由此而引發的潤滑、調整問題，運用理論分析和探討的方法，結合多年來對實際設備所出現問題的探討及經驗積累，進行綜合分析。并提出一些綜合治理的方法和新的工序工藝，解決大型立式水泵普遍存在的推力瓦軸承磨損問題，以便提高設備健康水平，保證設備的運行穩定性和可靠性。

　　關鍵詞：立式水泵；推力瓦；溫度高；分析

　　1　概述

　　大型立式水泵的推力軸承，是應用液體潤滑承載原理的機械結構部件，主要由推力瓦、鏡板、推力頭、冷卻器等部件組成。推力瓦是推力軸承中的重要部件，它是整個機組轉動部分和固定部分的摩擦面，并且承受整個機組轉動部分的重量和軸向水推力。軸承運轉時，要求各軸瓦均勻地承受推力負荷，如果各軸瓦受力不均，將產生較大溫差，造成個別軸瓦溫度增高，瓦面變形磨損增大，影響機組安全運行。在額定工況下，推力瓦溫度不得超過70℃，但如能使各推力瓦受力均勻，則可提高推力軸承的承載能力，減緩推力瓦磨損及熱變形，同時也防止鏡板的磨損，提高設備運行的穩定性，所以，除設計和制造上必須保證其必要的條件外，安裝、檢修、維護調試對機組綜合性能起著重要的作用。

　　推力軸承要保證在油潤滑條件下運行，必須使出油邊的Z小油膜厚度，符合設計值（如：大型機組推力軸承油膜厚度一般在0.03-0.07mm之間）。這就要求鏡板有較高的精度和較低的粗糙度，如果鏡板的粗糙度高，則軸承摩擦損耗增大。鏡面如有傷痕或銹蝕等缺陷，則可能破壞油膜，甚至造成燒瓦事故。所以，鏡板研磨、推力瓦刮削以及對鏡板、推力瓦的檢修調整工作就顯得十分重要。另外，要求鏡板保證其波浪度，其平行度根據不同的機組一般為0.02mm/m，推力瓦之間相互高差一般控制在0.02mm之內，即要求推力瓦的平面度與鏡板的平面度相近才行。如果，鏡板與推力瓦的平面度不好，其偏差超過了Z小油膜厚度，會破壞推力瓦與鏡扳之間所建立的油膜。推力軸承就會在半干摩擦或干摩擦狀態下運行，造成燒瓦事故或瓦面損壞。此外，推力瓦的受力也與它本身的平行度直接相關，只有接觸面積大，才能使推力瓦承受較大的壓力。如果，推力瓦凸凹不平，具有局部高點，受力集中，也會發生燒瓦事故或瓦面嚴重磨損。

　　研磨鏡板和刮削推力瓦是立式泵（大型立式水泵）必不可少的項目。只要使推力瓦具有良好的平面性，與鏡板有良好的接觸性，保證水泵機組啟動時，在推力瓦瓦面與鏡板之間迅速建立起油膜，并在機組運轉時始終保持有一定的油膜厚度而不被破壞，才能保證推力軸承良好的穩定性和運行的安全可靠。

　　綜上所述，推力軸承的磨損多發生在推力瓦與鏡板兩個方面，解決的關鍵問題點就集中在磨損潤滑方面。

　　2　推力瓦磨損分析

　　2.1推力軸承按其支柱形式不同主要分為剛性支柱式、液壓支柱式、平衡塊式三種，因立式水泵軸向負荷相對水輪機等大型設備較小，所以，立式水泵普遍所采用的是剛性支柱式，它的缺點主要集中為檢修后或安裝調水平難、受力不易調整，調整工作量大，運行時各瓦塊的負荷不均（這種現象主要是安裝、加工、調整引起的）。推力瓦是推力軸承中的主要部件，呈扇型分塊式。一般在軸瓦的鋼坯上澆注一層厚約5mm的錫基軸承合金，由于軸瓦受力不十分均勻，盡管軸瓦的底部有托瓦（均勻受力，減少變型），但水泵經過長期運行，還是不可避免地出現磨損變形。經過長期檢修觀察，總結分如下原因。

　　2.2保證機組啟動時在推力瓦面與鏡板之間應迅速建立起油膜，并在機組運行時，始終保證有一定的油膜厚度而不被破壞，才能保證機組安全可靠的運行。事實上當鏡板與瓦面相對旋轉時，將潤滑油帶進鏡板與推力瓦的接觸面間，形成一層油膜，使鏡板與瓦面之間形成液體摩擦。進油側比出油側油膜厚，即形成楔形油膜。也就是說，泵組在正常運行時，通過鏡板傳遞的軸向力（包括轉子重量、軸、鏡板重量等），是通過鏡板與推力瓦之間的高壓油膜而傳遞給推力瓦承受的。即泵組正常運行時，由于油膜的作用，使靜止與轉動部分兩平面之間通過油膜而分開，鏡板是懸浮在推力瓦上，而并非處于半干摩擦或干摩擦狀態，如果處于半干摩擦或干摩擦狀態，則會發生嚴重的瓦面磨損或燒瓦事故。

　　2.3鏡板是推力軸承的關鍵部件之一。當軸承運行時，油膜厚度只有0.03-0.07mm。因此，要求鏡板有較高的精度和較低的粗糙度。、鏡板的粗糙度高，軸承的磨損增加；鏡板表面有傷痕、硬點、毛刺等缺陷，輕則致使鏡面出現磨痕，而影響推力瓦，重則破壞油膜出現事故，這是鏡板表面出現劃痕的原因之一。第二、鏡板采用45號鍛鋼制成，兩平面的硬度值一般為180-220HB，鏡面硬度差值小于30HB。但個別鏡板，因剛度偏小，在長期運行后產生微小變形，且鏡板在制造加工過程中不可避免地產生波浪度。如若潤滑油過濾不夠，或油槽中有雜質，則其中的雜質顆粒在運行中沿油流方向，懸浮運動并恰好懸浮至鏡板波浪度的波峰處時，不可避免地在鏡板與推力瓦瓦面上產生劃痕。因推力瓦瓦面采用鋼瓦坯面加工鳩尾槽澆鑄巴氏合金，故其硬度低，易引起劃痕。這也是產生磨痕、劃痕的原因之一。第三、因軸瓦與巴氏合金不脫開，由于鋼和巴氏合金的熱膨脹系數不同，受熱后易變得起伏不平，特別是在鳩尾槽處的合金有明顯的凸起。另外，由于剛性支柱的托瓦剛度太大。一方面可減小機械變形，另一方面由于瓦的變形會在托瓦的對應方向的瓦面上產生磨痕，這也是瓦面產生磨痕的一個重要因素，同時也嚴重影響著鏡板工作面，這一點往往被人們所忽視。以上三點，是影響鏡板工作面的主要因素。

　　2.4在每次設備檢修時都要根據磨損情況，進行推力瓦的刮研，而推力瓦刮削一般要求達3-5點/平方厘米，且刀花的深淺分布要符合質量標準要求。如刮削時有毛刺或高點，也會向上述所分析的那樣在波浪度的波峰處產生磨痕或劃痕。

　　2.5還有如下因素加之如上所述的一些不利因素并和這些因素相結合也會導致鏡板及推力瓦的磨損或出現劃痕，即：

　　（1）卡環厚薄不均，影響推力頭平面與主軸的垂直度。這一點如不是首次安裝一般不會出現，但在特殊情況下也會出現。

　　（2）推力頭底面與主軸的垂直度不好。

　　（3）推力頭與鏡板之間絕緣墊厚薄不均，即：加墊不合理或在檢修時未將上次的絕緣墊進行登記復原而加錯墊。所以在檢修時一定要嚴格檢修工序工藝，加強責任心。

　　（4）鏡板精度不夠，平行度較差。

　　（5）電機主軸法蘭與水泵泵軸法蘭面不平行，主軸與法蘭面不垂直。

　　（6）鏡板、推力頭與主軸的垂直度不夠。

　　2.6推力瓦瓦面的劃痕、磨痕產生的原因在上面進行了分析，但還有一個重要的因素，即瓦面偏心處的圓形磨痕是怎樣產生的呢？

　　（1）根據監測推力瓦在正常運轉時進油溫度一般為36℃，平均出油溫度一般為51℃。

　　（2）剛性支柱式推力軸承在正常運行時，支柱螺栓支承部位的溫度較高，促使支承中心處的瓦面因溫度的升高而變形凸起。瓦面熱變形導致瓦面單位壓力增大，容易使瓦面磨損或燒瓦，瓦面磨損的部位正是受力集中的部位（高溫度場區），即支柱托瓦的周圍線附近。支柱托瓦直徑的大小，就是瓦面磨損的圓形磨痕，正是瓦面熱變形后，支柱托瓦抵抗變形而產生的。

　　2.7避免水輪機運行。水泵在停止運行以后，如若泵出口的逆止閥關不嚴或液壓控制蝶閥關閉不到位，則倒泄水流加大。水泵開始反轉并逐漸加速，水泵中水壓也不斷升高，倒泄水流很快達到Z大值，反轉速也因而上升。但隨著葉輪轉速的升高，它作用于水的離心力也越來越大，從而阻止水流倒泄，倒泄流量降低，引起管中正壓水錘，反轉速達到Z大值，倒泄流量繼續減小，由于倒泄流量繼續減小，反轉速從而降低。但水泵在無任何負載的情況下空轉，即低速運轉時間較長，推力油膜厚度被破壞，致使推力瓦與鏡扳處于半干摩擦狀態，加速軸瓦、鏡扳的磨損和軸瓦的熱變形，而使推力瓦磨損加重，從而導致鏡扳進一步磨損。在正常水泵工況下，由于水泵慣性較大，水泵在停泵后，低速正轉時間較長，也是引起推力瓦磨損的原因之一，但主要是應避免在水輪機工況下空轉（即反轉）。可以認為，危險油膜厚度不完全取決于推力軸承是否處于半干摩擦狀態，而在于這種狀態所持續的時間長短。所以，不論是啟動、停機，均要求水泵機組能迅速地度過半干摩擦狀態，盡可能地縮短機組在此狀態下運轉時間，無疑是很重要的。

　　3　鏡面磨損分析

　　上述分析的幾種現象，不但可引起推力瓦的磨損，同時無疑也影響到鏡板。由于推力頭與主軸多采用過渡配合或過盈配合，主軸的擺度便直接傳到推力頭與鏡板上，因鏡板較薄，它在推力瓦作用下，產生周期性的波浪變形。當鏡扳在兩推力瓦之間的位置處，它與推力瓦之間有縫隙，這一現象在大型水輪發電機的推力軸承盤車時可以看到，而水泵自身重量小不易看到，但微觀上還是存在。當這一位置轉到推力瓦上時，縫隙就會被壓合。當出現縫隙時，由于體積突然擴大，產生真空，油被吸入而產生汽泡（氣穴）。當汽泡突然收縮，加劇積聚，形成高能撞擊鏡板表面而潰滅，重又產生汽泡，形成了氣穴過程，引起了氣蝕破壞。使鏡扳結合面出現了麻點、坑穴，減小了受力面積，進而擴大了氣蝕區域。這種惡性循環，不但破壞了軸線，而且促成了擺度的增大。同時也影響到鏡板、推力瓦的磨損，造成水泵機組振動增大、推力油溫、瓦溫升高，也加速推力瓦、鏡扳的磨損。
　　另外，如果潤滑油過濾不夠，則油中的雜質、推力瓦刮削的凸點等等，如若正好與鏡板波浪度的高點相遇，再結合以上因素。無疑將加快軸瓦、鏡板的磨損和油溫的升高。因此，給推力頭與鏡板處加墊，保證推力頭、鏡板與主軸的垂直度，保證推力瓦水平高差在技術要求的范圍內（即每塊瓦之間的偏差小于0.02mm），是十分重要的。
　　4　潤滑用油對推力瓦的影響
　　大型水泵的推力軸承廣泛應用液體潤滑原理進行潤滑。即在適當條件下，摩擦副的兩摩擦表面可以由一層具有一定厚度的粘性流體完全分開，由液體的壓力平衡外載荷，液體層中的分子大部分不受金屬表面離子電力場的作用而可自由移動，這種狀態才是液體潤滑。由于兩摩擦面不是直接接觸，當兩表面相對滑動時，只在液體分子間發生摩擦，因而液體潤滑的摩擦性質完全取決于流體的粘性而與兩個摩擦表面的材料無關。但這種潤滑有摩阻低、摩擦系數低（通常為0.001-0.008）的特點，可以改善摩擦副的動態性能，有效地降低磨損。所以，在滑動軸承摩擦副中，只要在摩擦表面間形成液體潤滑，就可以顯著改善部件（鏡扳、推力瓦）性能和減緩磨損。
　　液體潤滑油膜的產生可分為流體動壓和流體靜壓潤滑兩種，水泵推力軸承采用流體動壓潤滑形成油膜，平衡外載荷的，因而涉及摩擦表面的幾何形狀、尺寸、間隙、流體粘度、相對運動、速度和載荷等。所以，、選用潤滑油必須要求適當的粘度、良好的吸附和楔入能力、一定的油膜強度和穩定性以及良好的化學性能。第二、潤滑油的粘度隨溫度的升高而降低，因此，所選潤滑油應具有在軸承工作溫度下能形成油膜。第三、依據以上原則結合水泵的參數（主軸軸頸線速度、工作溫度、載荷的大小等）選用一定牌號的潤滑油。第四、降低推力軸承油溫，提高推力冷卻器的性能，并防止冷卻器滲漏水現象（即防止氣穴形成，促使鏡面銹蝕或出現麻點）。第五、嚴格過濾油質量，防止水分及雜質進入潤滑油。
　　5　軸電流對推力鏡板的影響
　　水泵正常運行時，在主軸上會產生一定數值的電壓。即由于定子鐵芯有合縫，定子與轉子不圓或定子與轉子空氣間隙不均，在水泵運行時，磁力線不平衡，不完全平衡的磁力線與轉軸相切，就產生了軸電壓，大型電機達5-15v。因軸電流的存在，它在鏡板（軸頸）和軸瓦間產生小電弧的侵蝕，使軸瓦合金逐漸粘吸到鏡板上，破壞軸瓦工作面，引起推力瓦過熱甚至燒瓦事故的發生。此外，由于軸電流的電解作用，也會使潤滑油變黑，降低潤滑性能，使軸承溫度升高。
　　為了保證機組運行，防止軸電流對鏡板和軸瓦的侵蝕，必須采取措施，切斷軸電流回路。即在推力頭與鏡扳之間加絕緣墊。并起到絕緣和調整軸線的雙重作用。
　　6　結論
　　為保證大型水泵的運行穩定性，應對推力軸承系統，進行科學調整和綜合治理。通過以上諸項分析，對所發現的問題，提出以下相應對策和解決的辦法，以促進設備的不斷完善。
　　6.1推力瓦方面
　　（1）改善推力油冷卻器的水循環，降低推力軸承油溫，以減小推力瓦的熱變形，因軸瓦受力不均，運行中軸瓦溫差一般達5-8℃，所以還要進行推力軸承受力調整。
　　（2）根據推力軸承有關參數要求及潤滑油選用原則，選用適合的潤滑油牌號。嚴格檢修工藝質量，保證過濾油質量，避免油中雜質進入。
　　（3）在軸瓦刮削時，注意在軸瓦中部約軸瓦瓦面積1/2的扇形刮低0.02∽0.03mm，刮削后瓦面達3-5點/平方厘米。中部刮低，以減小由于支柱托瓦抵抗熱變形而產生的單位壓力增大和瓦面損壞。
　　（4）提高傳動主軸與鏡板的垂直度，保證鏡板、上機架水平在0.02mm/m之內，也就是通過刮削推力頭與鏡板之間絕緣墊來實現。調整軸線時，首先要調整好推力瓦水平高差、鏡板等水平，然后調整機組總軸線并保證各處擺度符合質量要求。檢修后測定機組油溫、瓦溫、振動值及推力油膜厚度來評判機組。
　　（5）避免水泵在水輪機工況下運行，要保證泵出口逆止閥、液控蝶閥工作可靠。
　　6.2鏡板方面
　　（1）依測定結果，進行絕緣墊的刮削調整，保證鏡板與主軸的垂直度。測定推力頭與鏡板、推力瓦與鏡板的絕緣（其相互絕緣電阻大于1mΩ，充油后大于0.3mΩ），防止軸電流侵蝕鏡板，引起油溫升高瓦面變形或燒瓦事故，或鏡板損壞現象。以及由此而出現的潤滑油變黑劣化現象等。
　　（2）檢修中發現鏡板有銹蝕、劃痕、磨痕等應進行研磨，研磨后鏡板表面粗糙度達到0.05μm以下。合理選用研磨材料用m5-m10粒度的Cr₂O₃進行研磨，控制研磨轉速，經粗、精、細磨削達到質量要求。或送制造廠進行精車研磨或珩磨處理。
　　參考文獻
　　[1]郭立君.高等學校教材.泵與風機[M].中國電力出版社，1997.5.
　　[2]侯文綱.中等專業學校教材.工程流體力學泵與風機[M].水利電力出版社，1985.5.
　　[3]郭延秋.大型火電機組檢修實用技術叢書.汽輪機分冊[M].中國電力出版社，2003.9.
　　[4]高澍