轴承知识
电厂循环泵轴系断裂事故分析及防范措施
2012-03-05某电厂5#循环泵是离心式泵，配套电机为JSL1000-12L。事故发生时，值班人员突然听到一声巨响，表盘上3#、4#、5#循环泵运行指示灯亮，运转层有烟冒上来，5#循环泵电流下降至70A(正常运行时电流130A左右)，立即按紧急事故停泵处理。经检查，设备损坏情况如下：循环泵轴系断成4节，水泵轴在联轴器上150mm轴颈处断开，中间轴上、下装联轴器处分别断开，飞出数米远，砸坏了进水门等设备；电机上、下导瓦顶丝严重弯曲，导瓦严重磨损；电机转子弯曲，在靠联轴器处Z大弯曲达6.91mm；电机轴与中间轴、中间轴与水泵轴两对联轴器都已不符合要求，其Z大端面跳动值达1.09mm；水泵上、下两只236型轴承损坏，一只8240型推力轴承严重损坏；下托架体上轴承室有9条裂纹（事故前已发现7条）；铜轴套磨损严重。
2、事故分析
①泵的服役及检修情况
该泵投运以来，年运行约5000h，大修间隔期基本为一年，大修项目有更换叶轮；修正转子磨损；发现轴承室有4条裂纹，未作处理。这次断轴事故前一次大修，发现水泵转子磨损较大，轴承室裂纹增至7条。当时，由于缺少备品，工期又紧，对轴承室未作处理，对转子磨损处采用补焊修复。补焊工艺是：焊件需补焊处焊前未进行车削，焊件放在水箱中，用堆507焊条堆焊，堆焊后按设计图纸要求加工，修复装联轴器轴颈处尺寸增加了0.12mm。大修后投运3507.3h，轴系发生断裂。从检修、运行情况来看，该泵每次大修时均需更换轴承，并一直存在轴系运行振动较大的缺陷。
②轴系受力分析
该型循环水泵是立式安装的单级螺旋型压水室泵。泵的吸上口垂直向上，处于泵的轴线位置，排出口呈水平方向。轴承体有两处装有轴承，上部装有单列向心球轴承，用以承受泵的轴向推力及转子部分的重量和径向载荷。
a．径向力
螺旋型压水室是按设计流量进行设计的，这时液体在叶轮周围压水室中的速度和压力是均匀的，轴对称的。当泵的实际流量偏离设计值时，破坏了压力沿叶轮轴对称分布的条件；实际工件也与设计值有偏差，因而产生径向力。另一方面，从叶轮流出液体的动反力对叶轮的作用来看，由于压水室的压力不轴对称，液体流出叶轮的速度也是不轴对称的。这两个力合成径向不平衡力。叶轮、联轴器等转动部件存在不平衡质量引起的离心力，且方向是变化的。由于中心误差，使转子的质量中心偏离运转中心而产生径向力。
b．轴向力
泵是立式安装，泵转子的质量包括其中液体的质量，是轴向力的主要来源。叶轮前后盖板不对称产生轴向力，轴台、轴端等结构因素也产生轴向力。
c．扭矩
由电机传递扭矩，泵轴受Z大扭矩断面为联轴器轴颈。
d．意外载荷
事故发生时，供电系统没有出现异常，未出现过断电又送电的现象。断轴后，电机轴仍在转动，转向正常，电流下降。供水系统用水量正常，循环泵没有受到流量突然减少或增加的水力冲击。管道、阀门均正常。因此，泵轴未出现意外的冲击载荷。
③宏观断口分析
肉眼观察断口面，没有旧裂纹痕迹，断面与轴线基本垂直。断口上呈现疲劳弧线标志，疲劳源位于键槽底部的尖角处，中心粗糙区为轴Z终破裂时的折断区，且折断区与轴旋转方向偏移约45°，整个断面呈暗灰色，有不明显的锈纹。因此，轴颈应属于弯曲扭转疲劳断裂。
3、小结
泵轴颈疲劳裂纹的产生和发展，加剧了整个轴系的振动，Z终导致轴系多处断裂，电机轴弯曲及其他部件损坏。
下列因素的共同作用导致泵轴颈疲劳破坏：从多次更换掉的轴承及轴承室裂纹逐渐增加来看，该泵一直在较大振动状况下运行，泵轴轴颈150mm断面受扭矩Z大；轴颈、键槽的尖角过渡产生应力集中，从而是轴截面的Z薄弱部位；轴颈表面未车掉磨损层即采用堆焊补焊，减弱了轴的疲劳强度和韧性。
4、防范措施
①消除导致泵振动的因素
泵运行时振动过大，主要原因是水泵与电动机连接不良、转子不平衡、电动机磁场不均、水泵的基础不完善、水泵壳体内混入固体杂物、轴承损坏、导瓦间隙过大等。该泵及传动系统均为立式安装，在电机和泵的各部件按质量要求组装后，各联轴器找中心的质量好坏，是决定泵组振动大小的重要因素之一。组装时应严格按规程要求，先测量电机转子，要求其外圆跳动不大于0.05mm，端面跳动不大于0.02mm。联轴器跳动过大，一般有下列原因：推力头与主轴的配合过松或歪斜；转子轴本身弯曲；推力盘工作面与轴线不垂直。盘动转子时，导瓦与推力头间隙不可过松，要近似于0。但要能盘动，否则测量值误差大。电机联轴器测量合格后，才能装中间轴并测量跳动，中问轴下联轴器外圆跳动不大于0.1mm。若超过标准，则应在对轮之间用金属垫片进行调整。中间轴校正后，即与水泵联轴器连接。Z后调整上、下导瓦间隙，该问隙单侧为0.1～0.12mm。因测量此间隙比较困难，可测顶丝与瓦背间隙，并在紧螺母时反复检查。若间隙过大，则运转时轴系上部摆动增加，对轴承产生冲击。
②严把备件质量关
泵大修时，应对所要更换的备件进行检验，转子有关部件有条件时要做静平衡试验。对更换量Z大的轴承，应测量其游隙等。因为轴承的质量好坏，不仅仅影响轴承本身的使用寿命，还直接影响泵轴颈、轴承室的磨损。
③改造轴承架
新的轴承架改成轴承室与托架体的组合结构，这样，当轴承室要更换时，不必把整个轴承架拆除更换。实际上，除轴承室外，其他部位不易损坏。原设计的轴承架为一整体，体积庞大，安装困难，备件不易制作，这也是轴承室多次发现裂纹而没有及时更换的原因之一，其后果是泵的振动不断增大。
④注意事项
转子磨损后，直接堆焊修复的工艺值得改进。由于转子磨损，表面必产生微观缺陷（形式虽然不是开裂裂纹），在堆焊时焊接电流产生的高温可使这些微观缺陷扩散和集成为更加有害的缺陷，降低轴的疲劳寿命。在大修时，应加强对泵轴受力部位的检查，发现轴联轴器根部出现裂纹，应及时更换。
