注脂量对瓦斯抽采泵轴温的影响分析

王栓林

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

随着矿井开采深度的增加，越来越多的矿井转为高瓦斯矿井或者突出矿井，在矿井瓦斯风排能力有限的情况下，多数矿井都逐步建立了井下移动瓦斯抽采系统或地面固定式瓦斯抽采系统[1-3]，为矿井瓦斯治理提供有力保障，并创造井下安全的微气候生产环境。瓦斯抽采泵作为瓦斯抽采系统的动力源，由于水环式真空泵以水为介质，利用离心力作用实现瓦斯气体的吸入、压缩和排出，不易产生火花发生燃爆，因此多数矿井设计选择使用水环式真空泵作为瓦斯抽采泵[4-6]。

滚动轴承是真空泵重要的机械元件，一台水环式真空泵的性能能否充分发挥出来要取决于轴承的润滑是否适当，可以说润滑是保证轴承正常运转的必要条件，它对于提高轴承的承载能力和使用寿命起着重要作用。实际生产运行过程中，水环式真空泵的轴温随着运行时间和负荷的增加而升高。轴承在高温下使用时，材料组织会发生变化、硬度降低，材料组织一旦发生变化，即使温度恢复到常温也不会复原，而抽采泵轴温的升高不仅会使轴承本身寿命缩短，导致泵体温度的大幅升高，较高的泵体温度还会造成真空泵腔体发生内部锈蚀、结垢、电化学腐蚀等问题加剧，严重威胁抽采泵的使用寿命和安全高效运行。

通过对目前煤矿较为常用的水环式真空泵中圆柱滚子轴承所使用润滑脂的注脂周期及注脂量进行计算分析，研究水环式真空泵在运行过程中轴承注脂量与轴温温升的关系，确定该轴承的最佳注脂量，为煤矿瓦斯抽采泵站的安全稳定运行和维护提供参考。

1 水环式真空泵及轴承

1.1 水环式真空泵工作原理

水环真空泵主要包括泵体、叶轮、轮毂、吸气孔、排气孔及水环六部分，通过泵体与叶轮之间容积的变化实现吸气、排气动作。水环真空泵工作原理如图1所示，图1中叶轮轴心O1与泵体轴心O2保持一定的偏心距，启动前泵体内加入少量水，叶轮旋转时，泵体内的少量水在离心力作用下，在泵体内形成水环，随着叶轮的旋转，轮毂、叶片与水环组成的月牙形空间逐渐变大，通过吸气口吸气，后由大变小，通过排气口排气，如此往复，泵体不断地抽吸气体[5]。

图1 水环真空泵工作原理

1.2 2BEC型水环式真空泵及轴承

2BEC系列水环真空泵是用来抽吸空气或其它无性、不溶于水、不含固体颗粒的气体，以使被抽的密闭容易形成一定的真空。吸入气体中允许混有微量的液体，推荐工作区间-0.04～-0.09MPa。主要应用于化工、石化、轻工、制药、造纸、冶金、建材、洗煤、选矿等行业，具有高可靠性、维护方便、高效节能及适应冲击载荷的特点[7]。

水环式真空泵多采用滚动轴承，滚动轴承是采用滚动摩擦原理工作的支撑件，是机械设备中最容易损坏的部件之一，有资料表明，转动设备70%的故障是因滚动轴承失效[8-11]。滚动轴承故障会造成矿井停产停机，造成经济损失，甚至严重威胁矿井的安全生产。

山西吕梁宏岩高瓦斯矿井地面瓦斯抽采泵站采用淄博水环真空泵厂有限公司生产的2BEC80型水环式真空泵，其中1、2号高负压泵配套YB2型防爆电机，功率900kW，转速为240r/min；3、4号低负压泵配套YB2型防爆电机，功率900kW，转速为270r/min。真空泵全部配套双列圆锥滚子轴承，轴承型号352214，如图2所示，具体参数见表1。

d—轴承内径；D—轴承外径；T—宽度；B—内圈宽度；C—外圈宽度；r1—内圈大端面倒角高度；r2—内圈大端面倒角宽度；r3—外圈大端面倒角高度；r4—外圈大端面倒角宽度图2 轴承结构(mm)

表1 轴承参数

1.3 润滑脂选择与轴承失效

国内机械行业80%的滚动轴承采用润滑脂润滑，润滑失效是导致轴承故障的重要原因[12]。轴承润滑脂可以使滚动体表面或滑动表面间形成一层薄薄的油膜，增大接触面积，减小接触应力，能确保滚动轴承能在高频接触应力下，长时间地正常运转，延长疲劳寿命；消除摩擦热，降低轴承工作表面温度，防止烧伤；起防尘、防锈、防蚀作用，同时减小轴承振动和降低噪音。

滚动轴承润滑脂选取[13]可以参考表2，彭朝林[14，15]等研究表明：滚动轴承失效产生主要是由于润滑脂润滑性能不能满足实际工况需要，而不是滚动轴承本身制造和加工等方面原因引起的，滚动轴承失效使得润滑脂中混入磨损颗粒、外部环境中的泥沙和水分以及滚道表面形貌发生变化等，影响润滑脂的润滑性能和成膜特性，加剧滚动轴承的失效。

表2 滚动轴承润滑脂的选用

本文中2BEC系列水环真空泵配套圆锥滚子轴承采用长城二硫化钼锂基润滑脂3号，使用温度-20～120℃，具体参数见表3。

表3 长城二硫化钼锂基润滑脂3号参数

2 注脂量理论计算

注脂量对轴承性能和寿命影响很大[16，17]，注脂过量导致轴承温升过高，注脂量不足则导致润滑不良，不合适的注脂量均会降低轴承寿命。

2.1 注脂周期计算

轴承注脂周期计算主要使用经验公式法和图表法两种方法确定。轴承工作温度超过70℃，每升高15℃，注脂周期减半。轴承工作在潮湿、灰尘等恶劣环境时，注脂周期应酌情缩短。

第一种方法：公式法采用下列公式计算：

式中，t为注脂周期，hr；d为轴承内径，mm；n为轴承转速，r/min；K为轴承系数，其中球面滚子轴承或圆锥滚子轴承K=1；圆柱滚子轴承或滚针轴承K=5；球轴承K=10。

第二种方法：图标法依据轴承内径和轴承转速在注脂周期性能曲线(如图3所示)中读取。

图3 注脂周期性能曲线

2BEC80型水环式真空泵，配套双列圆锥滚子轴承，泵额定转速240～270r/min，分别用两种方法进行确定，采用公式计算和图表法读取理论注脂周期均为4000h左右。

依据真空泵厂家说明书[7]，一般情况下，第一次加油在运行1000h后进行，后续每4000运转小时后加油，注脂周期符合。

2.2 注脂量计算

对普通轴承的注脂量选用依据转速确定[18]：当转速小于极限转速的一半时，填充轴承自由空间的1/2～2/3，当转速大于极限转速的一半时，填充轴承自由空间的1/3～1/2；对于高速轴承，特别是主轴轴承，注脂量为自由空间的20%～30%，当轴承外圈固定内圈旋转时，在高速条件下轴承只需要填充自由空间的15%。按照上述选用原则确定注脂量，通过经验公式确定轴承自由空间[19-20]：

式中，V为轴承自由空间体积，cm3；D为轴承外径，mm；d为轴承内径，mm；B为轴承宽度，mm；G为轴承重量，kg。

将表1中2BEC80型水环式真空泵轴承参数代入式(2)计算出轴承自由空间体积V为575.27cm3。

根据普通低速轴承一般为滚动轴承，高速轴承一般用滑动轴承，结合轴承线速度超过1.0×106mm·r/min的滚动轴承称为高速轴承的标准来判断，该矿2BEC80型水环式真空泵轴承选用的双列圆锥滚子轴承为普通低速轴承，通常运行转速小于极限转速的一半时，注脂量填充轴承自由空间V的1/2～2/3，即为287.64～383.51cm3；运行转速大于极限转速的一半时，注脂量填充轴承自由空间V的1/3～1/2，即为191.76～287.64cm3。

3 注脂量试验分析

3.1 试验方法

通过经验公式或者理论计算确定轴承注脂周期和注脂量可以作为参考，但由于受各种因素影响，实际运行当中往往有偏差，通过试验研究轴承在相同运转条件下使用长城二硫化钼锂基润滑脂3号在不同的注脂比例时温升与注脂量的关系来确定注脂比例，以合理选择注脂量。

分别选择吕梁宏岩高瓦斯矿井地面高、低负压瓦斯抽采泵站采用淄博水环真空泵厂的2号泵作为试验对象，采用HM-600型手动黄油枪分别对每台泵的前后轴进行注脂，分别注入油枪容积600cm3的1/4、1/3、1/2锂基脂，即注脂量分别为150cm3、200cm3、300cm3，每小时读取一次数据，连续运行240h监测其轴承的温升情况。

3.2 注脂量与温升相关性分析

将不同体积的锂基脂分别装入轴承后，连续运行240h进行温升观测，结果如图4所示。

图4 不同注脂量轴承的温升曲线

由图4可知，当3号锂基脂的注脂比例为油枪的1/4，即注脂量为150cm3时，轴承温升为38～50℃，运行177h后温升增加到45℃左右，最高达51.6℃；注脂比例为油枪的1/3，即注脂量为200cm3时，轴承温升为36～38℃，较为稳定；注脂比例为油枪的1/2，即注脂量为300cm3时，轴承温升较快，温升较短时间就达到60℃左右。

通过上述运行试验可知，从轴承温升方面看，注脂量为HM-600型油枪体积的1/4时，锂基脂不足造成轴承内部无法形成润滑油膜，接触区润滑不足会造成温升增大；注脂量为1/2时，过量锂基脂由于高速搅拌力矩增大，轴承温升增大；注脂量为1/3注油枪体积，即200cm3左右时，轴承运行温升平稳，较为合适。结合注脂量理论计算结果，最终确定该矿井使用的2BEC80型水环式真空泵轴承的注脂量在200cm3左右。

4 结论及建议

1)注脂量的理论计算与现场试验结合可知：常用水环式瓦斯抽采泵注脂量为填充轴承自由空间的1/3～1/2。确定试验矿井所使用的2BEC80型水环式真空泵轴承的最佳注脂量为200cm3左右。

2)对于煤矿新安装的瓦斯抽采泵，除参考设备说明书之外，可以采用公式法和图标法确定理论注脂周期，采用公式法计算理论注脂量，并在实际泵站运行维护当中通过观测绘制温升曲线来对最佳注脂量进行修正。