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                    一起壓載泵故障原因分析與修復措施

                    2024-05-08

                    嚴波

                    (中遠海運船員管理有限公司廣州分公司高級輪機長(cháng))

                    一、事情經(jīng)過(guò)

                    某輪為23萬(wàn)噸礦砂船,壓載泵電動(dòng)機/馬達的廠(chǎng)家為ABB MOTORS,額定功率為450KW,額定電流為735A,高度1680mm,外徑880mm,輸出端軸承型號6324/C3,非輸出端軸承型號6319/C3,重量400KG。

                    筆者上船接班伊始,發(fā)現NO.2壓載泵軸封漏水較大。第二天組織人員拆檢,發(fā)現軸封定環(huán)裂開(kāi)幾段,裂開(kāi)的原始位置是定環(huán)的定位半圓孔,據此初步認為是定環(huán)外徑過(guò)小、安裝在壓蓋上過(guò)松、泵軸旋轉過(guò)程中定環(huán)隨動(dòng)環(huán)旋轉撞擊定位銷(xiāo)引起的。作為國產(chǎn)仿制軸封,定環(huán)與壓蓋上的定環(huán)座之間是通過(guò)O-ring密封的;因該O-ring線(xiàn)徑過(guò)小,改用其它粗線(xiàn)徑的O-ring,就將其剪開(kāi),自行粘了一條O-ring裝復。后續開(kāi)往澳洲途中換了一次壓載水,無(wú)漏水情況,于是以為問(wèn)題得到了解決。但在澳洲靠泊后,排水接近尾聲時(shí),軸封出現了漏水,說(shuō)明問(wèn)題依舊存在。上一任輪機長(cháng)交班時(shí)曾解釋過(guò)原因,認為是水泵軸變形導致整臺泵振動(dòng)過(guò)大而損壞軸封的。從澳洲回國靠泊后,有鑒于泵的軸封易于損壞之情況,就安排外協(xié)單位修理。原計劃將泵軸連帶葉輪吊岸,檢查泵軸是否變形,并對泵軸及葉輪進(jìn)行動(dòng)平衡試驗。后來(lái)考慮馬達軸承自出廠(chǎng)到現在已10年未更換,便安排都送岸維修??坎雌陂g,航修人員校正過(guò)中線(xiàn),對做了動(dòng)平衡的葉輪、泵軸及換新的馬達兩端軸承進(jìn)行回裝。令人始料不及的是,在開(kāi)往澳洲途中用該壓載泵換水,第一天使用了12小時(shí),第二天下午約1530L時(shí)聞到一股燒焦的味道,發(fā)現NO.2壓載泵正在冒煙。停下檢查,發(fā)現聯(lián)軸節處馬達側已變藍,馬達下端(輸出端)蓋燒焦、油漆皮發(fā)黃/翹起/脫開(kāi),用工具試圖盤(pán)車(chē)未能成功,說(shuō)明馬達軸承已被咬住。因水泵處無(wú)軸承,故可認定是馬達軸承損壞。測量馬達三相電阻及絕緣,所幸未接地及短(斷)路。

                    二、原因分析

                    1.受力分析

                    該壓載泵是豎/立式泵,電動(dòng)機轉子旋轉運動(dòng)所產(chǎn)生的周向力/切向力由軸承的滾珠和圓槽承受;轉子自重及葉輪的重量主要由軸承內圈承受,因葉輪是雙向吸入式,所以工作過(guò)程中產(chǎn)生的軸向力幾乎可以抵消。內圈的力由軸承下端/密封蓋承擔,外圈垂直向下的力也是由軸承下端/密封蓋承擔,而軸承的下端/密封蓋則通過(guò)四個(gè)螺絲與馬達下端蓋連接。也就是說(shuō),下端蓋同時(shí)承受葉輪、轉子的重量及旋轉產(chǎn)生的力。

                    2.損壞分析

                    通常情況下,馬達的軸承安裝在前/下、后/上端蓋時(shí),軸承的前、后端都有軸承密封端蓋,以便于裝配、檢查軸承。臥/平式泵馬達的軸承蓋起定位及承受軸向力的作用,不承受馬達轉子及葉輪重量,受力較輕;豎/立式馬達軸承端/密封蓋承受較大的力(前面已作了分析)。

                    如圖1所示,軸承的下端/密封蓋由內圈與外圈兩部分組成(二者可以相對運動(dòng))。端蓋內圈與軸承內圈對應,軸承轉動(dòng)時(shí),端蓋內圈也一起轉動(dòng)。也就是說(shuō),端蓋的內圈與馬達轉子軸同步旋轉。端蓋的外圈與軸承外圈對應且是靜止的,故可形成動(dòng)態(tài)的迷宮密封,以對潤滑油進(jìn)行密封,多余的潤滑油則由管子排出。損壞的原因主要是潤滑油的質(zhì)量及/或牌號有問(wèn)題,所以在使用初期就有潤滑油從迷宮密封處漏出,這或者是潤滑油脂過(guò)稀,或者是潤滑油不耐高溫。當軸承內的潤滑油脂失去潤滑功能后,軸承的滾珠開(kāi)始干磨,隨著(zhù)發(fā)熱量的增大,滾珠發(fā)熱變大,滾珠在圓槽的自由轉動(dòng)受阻,與圓槽的摩擦阻力增大,于是軸承外圈的狀態(tài)開(kāi)始發(fā)生變化。正常情況下,軸承外圈與軸承座是過(guò)盈配合的,由于軸承外圈受到滾珠拖動(dòng),由靜止狀態(tài)開(kāi)始轉動(dòng),即所謂的“走外圈”。軸承外圈與軸承座摩擦,隨著(zhù)摩擦增強、溫度增加,磨損進(jìn)一步加劇——經(jīng)測量,軸承的外徑與軸承座/孔的間隙達0.4mm。正常情況下,軸承下端/密封蓋內圈隨著(zhù)軸承內圈的轉動(dòng)而同步旋轉。當軸承下端/密封蓋內圈缺乏潤滑而與外圈干磨時(shí),隨著(zhù)摩擦阻力的增加,軸承下端/密封蓋內圈與外圈不再是相對運動(dòng),而是逐漸變成不動(dòng),相當于一體。但是馬達轉子軸的力足以克制摩擦力而旋轉,于是軸承與軸的配合面(端面及圓柱面)就由靜止狀態(tài)變成相對運動(dòng)狀態(tài)——剛開(kāi)始,軸承的溫度高于軸的溫度,馬達軸脫離軸承內圈的束縛自由轉動(dòng),隨著(zhù)軸溫度的升高,間隙變小,再后來(lái)在高溫下軸承內圈與軸配合的圓柱面及端面發(fā)生熔裂、咬著(zhù),臨末演變成軸承材料部分熔在軸上,軸表面上的部分材料同樣也被撕裂在軸承內圈。軸承廠(chǎng)家——SKF的資料顯示,軸承是2011年的隨機備件,所以質(zhì)量肯定是有問(wèn)題的。這表現在:(1)軸承座/孔的尺寸保持完好,幾乎毫發(fā)無(wú)損(所幸軸承座/孔完好,不然將更難修復);(2)部分材料粘結在軸上,說(shuō)明軸承的材質(zhì)比軸差,正常情況下,軸承的材質(zhì)如強度、硬度等應該 比軸好。

                    圖1 軸承下端蓋

                    三、修復措施

                    將馬達吊出,聯(lián)軸節經(jīng)加溫后拆出,軸承下端/密封蓋拆開(kāi),試圖把損壞的軸承拉出。因為過(guò)緊,采用加溫+拉碼的方式也未能將其拉出。據此估計軸承內圈、軸粘結在一起。無(wú)奈之下,只能采取破開(kāi)軸承的辦法。因為軸承大,使用手提式切割機費時(shí)、費工具,于是決定使用氣割(務(wù)必防止灰塵、火星等雜物飛濺到電動(dòng)機內部而引起電動(dòng)機絕緣電阻的變化,可以用一塊鍍鋅鐵皮擋在轉子、定子前面):外圈離軸較遠,只好在軸上鋪墊保護物,再使用氣割把外圈割掉,取走滾珠及擋圈;內圈靠軸太近,不易控制,為了安全起見(jiàn),使用手提打磨/切割機小心切削(特別是軸的位置要更加小心)。

                    如圖2所示,軸承內圈全部清理后,轉子軸上軸承位置的殘留物及軸磨損情況讓人吃驚;軸的圓柱面拉痕(絲)及臺階位的堆積物讓人難以找到參考面、無(wú)從下手。圓柱面的修復,既要考慮表面的平整度、同心度,又要考慮過(guò)盈配合。因為轉子長(cháng)且重,船上無(wú)法把轉子從馬達上取出,只能就地修復。就地修復的難處在于位置受限,轉子軸不能像在車(chē)床上勻速旋轉,從而難以保證轉子的尺寸精度。為了解決問(wèn)題,就在轉子軸上安裝了一個(gè)臨時(shí)軸承,下端用一個(gè)支撐架托著(zhù)軸承,保持轉子軸的水平,并用一臺減速電動(dòng)機帶動(dòng)勻速轉動(dòng)軸,從而在一定程度上彌補了無(wú)法上車(chē)床的不足。因操作中受限于使用銼刀,修復異常艱難,只能在不斷的轉運過(guò)程中依靠目測修整,費時(shí)、費力且需不斷地測量軸的外徑,以免過(guò)度修整而破壞軸。將原馬達換下來(lái)的舊軸承放在油鍋加溫至100℃,再快速地安裝到轉子軸上,然后將部件逐一回裝;調整好中線(xiàn)后水泵試運行,電流正常,盡管振動(dòng)略偏大,但可以短時(shí)間使用。因排水的需要,兩臺壓載泵需同時(shí)工作,并適當調整兩臺壓載泵使用的時(shí)間,配合裝貨進(jìn)度快速排水,并未影響裝貨時(shí)間。

                    圖2 磨損的軸蓋

                    四、振動(dòng)的解決

                    此次修理的初始原因是密封裝置容易損壞,而密封裝置損壞的原因在于水泵振動(dòng)過(guò)大,所以如何解決振動(dòng)問(wèn)題是根本。水泵擋水盤(pán)與裝軸封的孔是同心的,通過(guò)測量軸的表面與擋水盤(pán)的距離可以確定泵軸是否在泵的中心位置。經(jīng)測量,前(艏)距離是95mm,后(艉)98mm,定環(huán)的內徑是102mm,定環(huán)的外徑與定環(huán)座有幾絲的間隙,泵軸在此處的直徑是100mm。也就是說(shuō),泵軸外徑與定環(huán)內徑之間的間隙是2mm,前后各1mm。如果軸晃/振動(dòng)厲害或定環(huán)和軸不同心,就會(huì )碰到定環(huán)的內壁,從而損壞定環(huán)。從以前拆出的已損壞的軸封可以看到,幾乎都是定環(huán)損壞。消除軸封易損壞的故障,需從以下三方面著(zhù)手:(1)確保泵軸與馬達輸出軸的同心度;(2)確保泵軸與壓蓋/定環(huán)同心;(3)減少泵的振動(dòng)。

                    1.確保泵軸與馬達輸出軸的同心度。其方法是:盤(pán)車(chē),測量馬達聯(lián)軸節的跳動(dòng)量,評估馬達軸承的跳動(dòng)量。若經(jīng)測量,跳動(dòng)量只有幾絲,就說(shuō)明馬達軸承沒(méi)問(wèn)題;若裝上舊泵軸后,在端部測量的跳動(dòng)量達幾十絲,或者裝上新泵軸后,情況有所改善,則說(shuō)明舊泵軸還是存在一定程度的彎曲、變形。泵軸聯(lián)軸節與馬達聯(lián)軸節通過(guò)精加工,凹凸圓環(huán)將達到很好的定位作用,從而確保馬達與泵軸的對中,同心度高。正常情況下,兩邊聯(lián)軸節上緊螺栓后,兩個(gè)端面之間若0.02mm的塞尺不能插入,外表面就在同一圓面內,拆開(kāi)螺栓后,泵軸連同葉輪會(huì )自行掉下來(lái),自然分開(kāi);不能自然分開(kāi)的話(huà),說(shuō)明存在卡阻,需要查明原因。

                    2.確保泵軸與壓蓋/定環(huán)的同心度。其方法是:將泵蓋向船艉方向拉動(dòng)1.5mm,如果拉不動(dòng),就說(shuō)明馬達的下端蓋凸緣與機架上內孔相接觸(凸圓、內孔起定位作用)。這時(shí)把壓蓋轉動(dòng)180度后裝配,情況將會(huì )有所改善——軸封定環(huán)的內圈/環(huán)與軸的距離較轉動(dòng)前均勻(軸封定環(huán)與泵軸的距離通過(guò)前后、左右四個(gè)位置確定,一旦距離不一,泵軸旋轉中就會(huì )晃動(dòng),從而容易觸碰定環(huán)而將定環(huán)損壞)。

                    3.減少泵的振動(dòng)。俗語(yǔ)云:基礎不牢,地動(dòng)山搖。泵架是用鋼板彎曲成圓形、兩端加蓋鋼板燒焊而成的,上、下有兩個(gè)大孔,用于裝馬達并固定在水泵上。泵架前、后(艏艉方向)開(kāi)了兩個(gè)大小不一的檢查/檢修方孔,用于拆裝聯(lián)軸節和盤(pán)車(chē),兩端鋼板之間由四條加強肋板支撐,以增強上蓋板的支撐力,承受馬達的重量。有些船舶是在馬達的吊孔環(huán)位置加固,方法是通過(guò)兩根帶可調節的撐桿,一端固定在墻壁上或其它結實(shí)牢固的地方,一端通過(guò)螺栓連接到馬達的吊孔環(huán),通過(guò)轉動(dòng)調節頭而使撐桿頂住馬達,但作用/收效甚微。

                    如圖3所示,多加裝了四根肋板,有效地加強了泵架上、下兩塊圓板的力,能更好地承受重達3噸的重量及水泵葉輪旋轉的力,減振效果明顯。

                    圖3 泵架加裝肋板

                    本文來(lái)自《中遠海運安全》

                    (版權歸原作者或機構所有)

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