大型水泵轴瓦摩擦失效原因分析与技术改造

王 兵 尹晓东

(山东省调水工程运行维护中心莱州管理站，山东 莱州 261400)

胶东调水输水工程是南水北调东线工程的支线，西起东平湖，东至山东威海米山水库，全长688km。东宋泵站是该输水线路的一级提水泵站，泵站设计流量19.7m3/s，设计净扬程12.86m，装机容量5520kW。东宋泵站年运行期10个月，年调水量约3.6亿m3，对保障胶东地区水资源供应具有重大作用。

2019年8月，泵站3号主机组水泵运行不到2000h就发生了水导轴瓦和轴套的摩擦损坏事件，影响了设备稳定可靠运行，需要深入分析失效原因，保障机组正常运行。

1 泵站设备概况

东宋泵站安装6台混流泵机组，其中1号和6号机组为2台调节机组，单台设计流量2.75m3/s，水泵为1000HDS-12型混流泵，配备YL560-12异步电动机，电机额定功率560kW，水泵轴长4.3m，轴直径160mm，上距联轴器3.6m处设水导轴瓦一处。2～5号机组为4台主机组，水泵为1400HD-14型混流泵，单台设计流量5.85m3/s，配套TL1100-16同步电机，额定功率1100kW，水泵轴长6.9m，轴直径200mm，分别在上距联轴器2.2m和5.6m处设上、下两处水导轴瓦。

2 设备损坏情况

2019年8月，巡视设备时，发现泵站3号机组运行过程中间歇性噪声和振动增大，计算机监控显示振动值平均增加30%，最大峰值增加60%，温度、电流、功率等指标没有超过额定值。因机组大修后运行时间不足2000h，最初分析可能是水流中有异物缠绕叶轮或流道内杂物垃圾较多，水流流态不稳造成机组短时振动较大。于是将机组停机，利用管道回水冲刷水泵流道内的异物，但机组重开后，间歇性振动和噪声依然较大，为查清问题原因，避免机组持续运行发生更大问题，对机组停机检查。在下落检修闸门，封闭3号机组流道进口，抽干流道内水之后，对上水导轴瓦和下水导轴瓦进行拆卸。拆卸发现：上水导轴瓦内衬橡胶和泵轴轴套没有明显磨损；下水导轴瓦磨损严重，轴瓦赛龙条已磨掉，表面类似刀刻状，赛龙轴瓦内衬中夹杂不锈钢碎屑，泵轴不锈钢轴套已基本磨掉，露出泵轴碳钢材料，泵轴本体表面没有明显磨损；后导水锥破损。

3 原因分析

3.1 运行原因分析

水泵在运行过程中，泵轴旋转时在不均匀水流的作用下，不断撞击和摩擦轴瓦，机组始终处于振动状态，随着运行时间延长，机组的水平、同心和摆度指标会不断发生变化，部分紧固件出现松动，会进一步加大泵轴与轴瓦的摩擦，加快轴套和轴瓦的磨损，使轴套和轴瓦间隙不断增大，减小了对轴旋转过程的状态约束，加剧了轴的撞击和设备的振动，形成了恶性循环。到达一定时间，造成轴瓦和轴套的摩擦损坏。但由于3号机组大修后运行时间不到2000h，3号机组轴套和轴瓦的磨损速度超出了正常范围，因此，需对轴套和轴瓦摩擦损坏原因作进一步分析。

3.2 轴和轴瓦材料硬度和耐磨性分析

3号机组水泵主轴材料为45号钢，上水导轴套为不锈钢材料，轴瓦壳体为不锈钢，内衬为橡胶，下水导轴套为不锈钢材料，轴瓦壳体为不锈钢，轴瓦内衬为白色赛龙材料。45号钢为优质碳素结构用钢，具有良好的机械性能，可以淬硬至洛氏硬度42～46HRC，表面淬火硬度在55～58HRC之间，因此，经过热处理的泵轴表面硬度达到洛氏硬度55HRC以上。从现场轴和轴瓦赛龙内衬的磨损情况看，在轴套已磨损到没有的情况下，泵轴本体并没有明显磨损，由此可见，泵轴材料硬度和耐磨性较高，其硬度和耐磨性要大于轴套和白色赛龙材料的硬度和耐磨性。轴瓦材料为白色赛龙，其机械性能指标为抗拉强度37.9MPa，剪切强度32.7 MPa，延伸率207%，肖氏硬度(SHORE D.)67。对应洛氏硬度值为50.8HRC，硬度小于泵轴45号钢的硬度。泵轴轴套为不锈钢材料，钢号为1Cr18Ni9Ti，组织类别为奥氏体型。其硬度指标为：布氏硬度HB≤187，洛氏硬度HRB≤90，维氏硬度HV≤200，为了便于比较，将材料硬度统一用洛氏硬度HRC指标表示。查表可知，泵轴轴颈轴套的三种硬度指标对应的HRC值均小于20[1]。硬度小于泵轴45号钢的硬度，也小于白色赛龙材料的硬度。

通过对材料的特性比较，赛龙材料的硬度和耐磨性远高于泵轴不锈钢轴套材料硬度，在运行过程中泵轴轴套首先磨损，磨损后的轴套表面不再是光滑面，反向加剧了对轴瓦赛龙材料的摩擦，二者相互作用，加剧了轴瓦和轴的损坏，最终导致轴瓦和轴套完全摩擦失效。上一次设备维修更换轴瓦时，由于单方面考虑了轴瓦硬度和耐磨性的提高，没有同时考虑轴套的硬度和耐磨性，泵轴轴套和新赛龙轴瓦材料硬度和耐磨性不匹配，是造成运行过程中轴套快速磨损，最终导致轴套和轴瓦完全失效的主要原因。

4 更新改造方案优选

4.1 改进方案原则

轴和轴瓦作为摩擦副的两方，在设备维修更新改造时，不应单纯考虑一方的材料性质，应当兼顾二者的综合特性和相互作用。从设备运行维修维护的便利性考虑，泵轴和轴瓦材料的硬度和耐磨性中，应当选择泵轴轴颈的硬度和耐磨性高于轴瓦，因为泵轴轴颈的处理或轴套的更换往往需要吊出主轴，整个机组设备包括电动机都需要进行拆卸，机组的水平、同心、垂直度、摆度等需要重新调整，费用高，时间长，而轴瓦拆卸更换简单，时间短，费用低。

4.2 技术改造方案选择

a.方案一：轴套和轴瓦内衬都采用硬度比较低的材料。如轴套材料仍使用1Cr18Ni9Ti不变，轴瓦内衬材料改为比1Cr18Ni9Ti不锈钢硬度更小的材料，如橡胶材料。优点是材料便宜，同类型橡胶轴瓦价格仅为赛龙价格的1/2，缺点是橡胶材料耐磨性差，特别是不耐干磨，在刚开机水没润滑轴瓦时磨损较大，干磨时间稍长，轴瓦温度升高容易发生黏着磨损。橡胶内衬容易老化，运行中易发生开胶脱落，并且方案一摩擦副的整体均为不耐磨材料，使用寿命整体较短。

b.方案二：轴套和轴瓦内衬都采用硬度高耐磨性强的材料。如轴瓦内衬材料采用白色赛龙材料，轴套使用比赛龙材料具有更高硬度和耐磨性材料。轴套和轴瓦都使用高硬度和高耐磨材料，一次性费用较高，但通过提高摩擦副的耐磨性，延长了使用寿命，减少了设备大修次数，降低了整体费用。

从长远和整体效果考虑，选择方案二。

5 更新改造具体技术措施

5.1 摩擦副材料选择

5.1.1 轴瓦内衬材料选择

轴瓦内衬材料选择白色赛龙材料，其优点为：赛龙材料是一种三次交叉结晶热凝性树脂，自恢复性和弹性好，具有很高的抗冲击性，能吸收撞击负荷，不会永久变形，对泥沙杂质不敏感[2]。赛龙水润滑轴承的动摩擦系数为0.0207～0.0381，干摩擦系数0.05～0.09。摩擦系数低，自润滑性能好，有很好的抗磨损性，当转速较低时，由于没有形成流体动压润滑，摩擦系数较大，当转速达到一定值时，形成流体动力润滑状态，摩擦主要为流体内的摩擦，摩擦系数变小且稳定。赛龙是一种均质材料，使用中不会发生材料剥落现象，不会发生黏着磨损，赛龙轴承在无水情况下可以运行30～120s。其化学性能稳定，耐污水，抗老化性强，没有保存年限的限制。正是由于赛龙材料的优良特性，近年来，赛龙轴承在水利、电力、船舶等诸多相关行业得到了快速的推广应用，加工技术日益成熟和稳定。

5.1.2 轴套材料选择

硬度高、耐磨性强的金属材料有抗磨白口铸铁材料、高锰钢耐磨材料、低合金耐磨钢、高碳高铬马氏体型不锈钢等，不同的金属材料有不同化学成分、组织、性能，适用的环境也不同。由于高碳高铬马氏体型不锈钢不仅具有高硬度和高耐磨性，而且在大气、水及某些酸类和盐类的水溶液中具有优良的不锈与耐蚀性[3]，因此本次选择高碳高铬马氏体型不锈钢作为轴套加工原材料，具体钢号为95Cr18。经过淬火、低温回火工艺处理后，回火后组织为马氏体+弥散分布的碳化物+少量残留奥氏体，硬度可达62～66HRC。因此用95Cr18加工的轴套硬度高于赛龙材料的硬度，可以形成摩擦副较为合理的搭配。

5.2 轴瓦轴套加工

5.2.1 轴套加工

由于9Cr18马氏体型不锈钢含碳量较高，轴套加工在热处理时，一是要防止淬火裂纹。采取控制加热升温速度，控制冷却出油温度，及时回火等措施防止淬火裂纹。二是要控制淬火残留奥氏体量。采用淬火后经冷处理再回火的方法，促进已经存在的残留奥氏体的分解，减少残留奥氏体含量，提高轴套硬度，保证轴套在使用过程中组织和尺寸的稳定性。

5.2.2 轴瓦加工

轴瓦加工时要严格控制与轴的间隙。间隙过大，运行状态不稳定，振动较大；间隙过小，不易进水，干磨时间过长。赛龙材料在干运转状态下超过105℃，在水润滑状态超过60℃，一段时间内材料表面先软化然后均匀断裂和断开，发生水解，影响运行寿命。间隙控制主要考虑两方面因素：ⓐ考虑赛龙材料的水涨系数，赛龙轴承吸水后体积会有微小的膨胀，取水涨系数1.3%，以保证赛龙轴承运行时的最小运行间隙。ⓑ考虑泵轴的摆度因素，留出合理间隙。

5.3 安装

严格控制安装质量，避免因安装不当加剧轴瓦磨损，导致轴瓦快速失效。安装时要注意检查轴套和轴瓦的光洁度。消除轴套、轴瓦在加工、运输、装卸过程中出现的划痕和毛刺，减小面摩擦系数，降低运行时的摩擦，减少磨损。轴瓦安装时做好安装间隙的检查和调整，注意轴瓦的紧固质量，防止轴瓦松动。

6 运行效果分析

经过对3号机组水导轴瓦和轴套的改造处理，机组重新开机运行，至今已运行1000多h，根据现场观察，机组振动和噪声较小，运行平稳。技术人员对计算机后台监控的振动数值进行了统计分析，考虑到振动仪表的测量误差、电磁干扰和其他异常因素的影响，将振动数值统计的置信水平统一设定为95%。经过数值统计，改造前，3号机组95%置信水平的泵壳振动数值置信区间为3.5～5.0mm/s，改造后，泵壳振动数值置信区间为1.065～1.855mm/s，振动值大大减小。同时，通过停机对轴瓦和轴套的磨损情况进行检查，发现轴套和轴瓦光洁度良好，未见明显磨损，未出现焦灼、磨屑等异常磨损现象。因此，本次技术改造整体效果良好，达到了改造目标。

7 结 语

水泵在运行过程中，泵轴轴套和轴瓦是摩擦双方，更新改造时，需统一考虑二者的硬度和耐磨性，应使泵轴轴颈或轴套的硬度和耐磨性适当高于轴瓦内衬的硬度和耐磨性。通过提高泵轴轴套和轴瓦材料的硬度和耐磨性，并合理搭配，延长了轴瓦和轴套的使用寿命，增强了水泵运行的稳定性和可靠性，降低了运行费用，提高了水泵运行效率。