一起壓載泵故障原因分析與修復(fù)措施
2024-05-08
嚴(yán)波
（中遠(yuǎn)海運(yùn)船員管理有限公司廣州分公司高級(jí)輪機(jī)長(zhǎng)）
一、事情經(jīng)過(guò)
某輪為23萬(wàn)噸礦砂船，壓載泵電動(dòng)機(jī)/馬達(dá)的廠家為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(hào)6324/C3，非輸出端軸承型號(hào)6319/C3，重量400KG。
筆者上船接班伊始，發(fā)現(xiàn)NO.2壓載泵軸封漏水較大。第二天組織人員拆檢，發(fā)現(xiàn)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(jù)此初步認(rèn)為是定環(huán)外徑過(guò)小、安裝在壓蓋上過(guò)松、泵軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中定環(huán)隨動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)撞擊定位銷(xiāo)引起的。作為國(guó)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線徑過(guò)小，改用其它粗線徑的O-ring，就將其剪開(kāi)，自行粘了一條O-ring裝復(fù)。后續(xù)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(xiàn)了漏水，說(shuō)明問(wèn)題依舊存在。上一任輪機(jī)長(zhǎng)交班時(shí)曾解釋過(guò)原因，認(rèn)為是水泵軸變形導(dǎo)致整臺(tái)泵振動(dòng)過(guò)大而損壞軸封的。從澳洲回國(guó)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(jì)劃將泵軸連帶葉輪吊岸，檢查泵軸是否變形，并對(duì)泵軸及葉輪進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。后來(lái)考慮馬達(dá)軸承自出廠到現(xiàn)在已10年未更換，便安排都送岸維修。靠泊期間，航修人員校正過(guò)中線，對(duì)做了動(dòng)平衡的葉輪、泵軸及換新的馬達(dá)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(xiàn)NO.2壓載泵正在冒煙。停下檢查，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸節(jié)處馬達(dá)側(cè)已變藍(lán)，馬達(dá)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(dá)軸承已被咬住。因水泵處無(wú)軸承，故可認(rèn)定是馬達(dá)軸承損壞。測(cè)量馬達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhuǎn)子自重及葉輪的重量主要由軸承內(nèi)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(nèi)圈的力由軸承下端/密封蓋承擔(dān)，外圈垂直向下的力也是由軸承下端/密封蓋承擔(dān)，而軸承的下端/密封蓋則通過(guò)四個(gè)螺絲與馬達(dá)下端蓋連接。也就是說(shuō)，下端蓋同時(shí)承受葉輪、轉(zhuǎn)子的重量及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力。
2.損壞分析
通常情況下，馬達(dá)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(dá)的軸承蓋起定位及承受軸向力的作用，不承受馬達(dá)轉(zhuǎn)子及葉輪重量，受力較輕；豎/立式馬達(dá)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(nèi)圈與外圈兩部分組成（二者可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)）。端蓋內(nèi)圈與軸承內(nèi)圈對(duì)應(yīng)，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，端蓋內(nèi)圈也一起轉(zhuǎn)動(dòng)。也就是說(shuō)，端蓋的內(nèi)圈與馬達(dá)轉(zhuǎn)子軸同步旋轉(zhuǎn)。端蓋的外圈與軸承外圈對(duì)應(yīng)且是靜止的，故可形成動(dòng)態(tài)的迷宮密封，以對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行密封，多余的潤(rùn)滑油則由管子排出。損壞的原因主要是潤(rùn)滑油的質(zhì)量及/或牌號(hào)有問(wèn)題，所以在使用初期就有潤(rùn)滑油從迷宮密封處漏出，這或者是潤(rùn)滑油脂過(guò)稀，或者是潤(rùn)滑油不耐高溫。當(dāng)軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油脂失去潤(rùn)滑功能后，軸承的滾珠開(kāi)始干磨，隨著發(fā)熱量的增大，滾珠發(fā)熱變大，滾珠在圓槽的自由轉(zhuǎn)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?fàn)顟B(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，即所謂的“走外圈”。軸承外圈與軸承座摩擦，隨著摩擦增強(qiáng)、溫度增加，磨損進(jìn)一步加劇——經(jīng)測(cè)量，軸承的外徑與軸承座/孔的間隙達(dá)0.4mm。正常情況下，軸承下端/密封蓋內(nèi)圈隨著軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)而同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)軸承下端/密封蓋內(nèi)圈缺乏潤(rùn)滑而與外圈干磨時(shí)，隨著摩擦阻力的增加，軸承下端/密封蓋內(nèi)圈與外圈不再是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是逐漸變成不動(dòng)，相當(dāng)于一體。但是馬達(dá)轉(zhuǎn)子軸的力足以克制摩擦力而旋轉(zhuǎn)，于是軸承與軸的配合面（端面及圓柱面）就由靜止?fàn)顟B(tài)變成相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——剛開(kāi)始，軸承的溫度高于軸的溫度，馬達(dá)軸脫離軸承內(nèi)圈的束縛自由轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著軸溫度的升高，間隙變小，再后來(lái)在高溫下軸承內(nèi)圈與軸配合的圓柱面及端面發(fā)生熔裂、咬著，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(nèi)圈。軸承廠家——SKF的資料顯示，軸承是2011年的隨機(jī)備件，所以質(zhì)量肯定是有問(wèn)題的。這表現(xiàn)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(fù)）；（2）部分材料粘結(jié)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(qiáng)度、硬度等應(yīng)該 比軸好。
圖1 軸承下端蓋
三、修復(fù)措施
將馬達(dá)吊出，聯(lián)軸節(jié)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?yàn)檫^(guò)緊，采用加溫+拉碼的方式也未能將其拉出。據(jù)此估計(jì)軸承內(nèi)圈、軸粘結(jié)在一起。無(wú)奈之下，只能采取破開(kāi)軸承的辦法。因?yàn)檩S承大，使用手提式切割機(jī)費(fèi)時(shí)、費(fèi)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(jī)內(nèi)部而引起電動(dòng)機(jī)絕緣電阻的變化，可以用一塊鍍鋅鐵皮擋在轉(zhuǎn)子、定子前面）：外圈離軸較遠(yuǎn)，只好在軸上鋪墊保護(hù)物，再使用氣割把外圈割掉，取走滾珠及擋圈；內(nèi)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(jī)小心切削（特別是軸的位置要更加小心）。
如圖2所示，軸承內(nèi)圈全部清理后，轉(zhuǎn)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(tái)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(fù)，既要考慮表面的平整度、同心度，又要考慮過(guò)盈配合。因?yàn)檗D(zhuǎn)子長(zhǎng)且重，船上無(wú)法把轉(zhuǎn)子從馬達(dá)上取出，只能就地修復(fù)。就地修復(fù)的難處在于位置受限，轉(zhuǎn)子軸不能像在車(chē)床上勻速旋轉(zhuǎn)，從而難以保證轉(zhuǎn)子的尺寸精度。為了解決問(wèn)題，就在轉(zhuǎn)子軸上安裝了一個(gè)臨時(shí)軸承，下端用一個(gè)支撐架托著軸承，保持轉(zhuǎn)子軸的水平，并用一臺(tái)減速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)軸，從而在一定程度上彌補(bǔ)了無(wú)法上車(chē)床的不足。因操作中受限于使用銼刀，修復(fù)異常艱難，只能在不斷的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中依靠目測(cè)修整，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且需不斷地測(cè)量軸的外徑，以免過(guò)度修整而破壞軸。將原馬達(dá)換下來(lái)的舊軸承放在油鍋加溫至100℃,再快速地安裝到轉(zhuǎn)子軸上，然后將部件逐一回裝；調(diào)整好中線后水泵試運(yùn)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(tái)壓載泵需同時(shí)工作，并適當(dāng)調(diào)整兩臺(tái)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(cè)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(cè)量，前（艏）距離是95mm，后（艉）98mm，定環(huán)的內(nèi)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(nèi)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(nèi)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，需從以下三方面著手：（1）確保泵軸與馬達(dá)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(dá)輸出軸的同心度。其方法是：盤(pán)車(chē)，測(cè)量馬達(dá)聯(lián)軸節(jié)的跳動(dòng)量，評(píng)估馬達(dá)軸承的跳動(dòng)量。若經(jīng)測(cè)量，跳動(dòng)量只有幾絲，就說(shuō)明馬達(dá)軸承沒(méi)問(wèn)題；若裝上舊泵軸后，在端部測(cè)量的跳動(dòng)量達(dá)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(jié)與馬達(dá)聯(lián)軸節(jié)通過(guò)精加工，凹凸圓環(huán)將達(dá)到很好的定位作用，從而確保馬達(dá)與泵軸的對(duì)中，同心度高。正常情況下，兩邊聯(lián)軸節(jié)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(nèi)，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，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(dá)的下端蓋凸緣與機(jī)架上內(nèi)孔相接觸（凸圓、內(nèi)孔起定位作用）。這時(shí)把壓蓋轉(zhuǎn)動(dòng)180度后裝配，情況將會(huì)有所改善——軸封定環(huán)的內(nèi)圈/環(huán)與軸的距離較轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǔ)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(dá)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(jié)和盤(pán)車(chē)，兩端鋼板之間由四條加強(qiáng)肋板支撐，以增強(qiáng)上蓋板的支撐力，承受馬達(dá)的重量。有些船舶是在馬達(dá)的吊孔環(huán)位置加固，方法是通過(guò)兩根帶可調(diào)節(jié)的撐桿，一端固定在墻壁上或其它結(jié)實(shí)牢固的地方，一端通過(guò)螺栓連接到馬達(dá)的吊孔環(huán)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)頭而使撐桿頂住馬達(dá)，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(qiáng)了泵架上、下兩塊圓板的力，能更好地承受重達(dá)3噸的重量及水泵葉輪旋轉(zhuǎn)的力，減振效果明顯。
圖3 泵架加裝肋板
本文來(lái)自《中遠(yuǎn)海運(yùn)安全》
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