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軸承知識

往復壓縮機連桿小頭瓦燒損原因分析及改進措施

2020-09-16
1 引言
 
新氫壓縮機是山東石大科技石化博亚娱乐官网加制氫裝置用以輸送氫氣的往復壓縮機,是山東石大科技石化博亚娱乐官网制氫裝置的關鍵設備之一。該設備型號DW-36.2/5-34-X,流量800 Nm3/min,出口壓力8.0 MPa,一開一備運行方式。該設備自2012年12月份投用后一個月,出現潤滑油過濾器壓差大報警現象,在對潤滑油過濾器拆檢時發現,濾網上有銀白色金屬屑,初步判斷為軸瓦磨損所致。在對壓縮機停機拆檢過程中發現,兩臺機組連桿小頭襯套和十字頭銷均燒損粘結一起。為此,我們從機組結構設計、裝配等方面,對連桿小頭瓦燒損進行原因分析及可行性改造,提高了機組的安全性能,確保了裝置平穩生產。
 
2 連桿小頭軸瓦受力潤滑分析
 
連桿是曲軸與十字頭或活塞之間的連接部件,活塞運行時,作用在活塞上的氣體力就會傳遞給曲軸。活塞在直線往復運行過程中受到拉和壓2個作用力,在拉和壓作用力的作用下,使得十字頭銷反復壓緊小頭瓦的兩側。當活塞向前運動時,氣體力便通過連桿傳遞到軸瓦,使得小頭瓦一側受力壓緊,因為十字頭銷與連桿小頭軸瓦配合是有間隙的,則另一側便會出現間隙,潤滑油就在壓力作用下流入該間隙,當作用力方向改變時,軸瓦原來受壓一側則會出現間隙,而留有間隙的一側因受力又被壓緊。如果壓縮機活塞在運行過程中只受一個方向的力,在單向力的作用下十字頭銷始終只壓緊連桿小頭瓦的一側,造成小頭瓦受壓側沒有間隙,潤滑油無法進入潤滑和冷卻。所以,作用在軸瓦上的氣體力方向必須改變,以便使得連桿小頭瓦兩側反復出現間隙得到潤滑油的潤滑和冷卻。
 
作用到連桿小頭瓦上作用力方向的改變必須要持續一定的時間,才能保證潤滑油充分流入軸瓦并起到作用。作用力方向改變需要持續的時間用曲軸轉角來定義稱之為壓縮機的“反向角”,API618標準規定反向角不小于15°,假設反向角設計偏小或活塞桿反向負荷不存在,十字頭銷與連桿小頭襯套就會因為缺少潤滑和冷卻而燒損。
 
3 軸瓦失效情況及原因分析
 
DW-36.2/5-34-X新氫壓縮機是新投用壓縮機,在機組試車時,各項運行指標均正常。開工投用后不久,出現壓縮機油過濾器壓差偏高。起初只是以為新機組投用潤滑油箱及潤滑管道不清潔造成過濾器壓差偏高,在進行濾芯清洗后機組投用正常。然而,機組運行未到8 h,又出現潤滑油過濾器壓差高報警,在對過濾器拆檢清洗時發現潤滑油內含有大量金屬屑,于是推斷機組軸瓦出現磨損導致軸瓦金屬屑進入潤滑油。
 
對機組拆檢過程中發現,壓縮機二級連桿小頭瓦與十字頭銷已經嚴重燒結咬合不能轉動,正常的拆卸方法已經無法將十字頭銷取出;我們一邊用專用拉馬拉住十字頭銷,一邊用大銅錘在十字頭銷的另一側進行敲擊,最終慢慢將十字頭銷取出。十字頭取出后發現,小頭瓦銅套內表面磨損嚴重,表面發黑并有咬合現象,小頭瓦內孔已變橢圓,十字頭銷表面附著大量金屬屑。影響小頭瓦燒損的因素很多,根據我們的工作經驗,軸瓦潤滑不足、壓縮機反向角小是造成軸瓦燒損的主要原因。
 
3.1 反向角影響因素分析
 
我們通過對往復壓縮機活塞桿及其傳動部件在工作中受力分析可知,如果壓縮機在運行過程沒有活塞桿負荷反向或足夠大的反向角,就會造成軸瓦始終受力一側潤滑油無法進入,從而導致燒毀。
 
排出設計因素,壓縮機氣閥運行狀態的好壞對反向角影響尤為重要,因為它直接影響著活塞所受氣體力的大小。如果壓縮機進氣閥出現故障導致嚴重的泄漏,那么進入氣缸的氣體在壓縮過程中會有部分經泄漏的進氣閥返回入口,導致產生在活塞上的氣體力會明顯減小;而排氣閥出現故障,則出口壓力較高的氣體會進入氣缸,會對活塞產生較大的氣體力。以上這些情況都會導致反向角偏離設計要求,假設機組長時間運行就會導致軸瓦缺少潤滑冷卻而燒損。在對機組拆檢過程中發現,機組所有氣閥閥片密封良好,氣密性完全符合標準要求,因此,我們可以排除機組出現反向角減小或為0的狀況。
 
3.2 軸瓦潤滑影響因素分析
 
活塞壓縮機潤滑方式,是通過采用油泵壓力油強制潤滑;潤滑油路大致為:曲軸(主軸承)寅連桿大頭寅連桿小頭寅十字頭滑道寅油箱。十字頭銷處的潤滑油是由連桿大頭瓦處通過連桿供油長孔,進入連桿小頭瓦背部與連桿體之間的供油腔內,再通過貫穿小頭瓦的供油孔,進入小頭瓦和十字頭銷之間進行潤滑。
 
連桿小頭瓦的供油均來自于與瓦背供油腔相通的寬度12 mm的油槽,在瓦背油槽處沿圓周均勻排列16個漬8 mm通油孔。在軸瓦內面通油孔處,沿軸向開始回油槽。這種結構可以使潤滑油順利地進入軸瓦與十字頭銷的間隙。潤滑油從通油孔進入后,一側油進入后被旋轉著的軸頸帶入楔形間隙中形成動壓油膜;另一側油進入后覆蓋在頸上半部,起著冷卻作用,最后油從軸瓦兩端泄出。
 
我們知道,潤滑油膜建立的條件必須是兩相對滑動工作表面間隙必須有變化,且充滿連續足夠的潤滑流體。
 
從潤滑油路可以看出,小頭瓦為潤滑油路的末端,由于主軸瓦、連桿大頭瓦處的阻力及泄漏,潤滑油到達連桿小頭瓦與十字頭銷摩擦副時的流量和壓力都已經比較低了,潤滑狀態較差,只留一層附著的表面潤滑膜,處于邊界潤滑狀態,摩擦系數增大,產生的摩擦熱也增大。軸瓦的內面有回油槽,但沒有與軸瓦側端面相連,這就增加了潤滑油的回油阻力,容易在軸瓦內部形成困油現象,這就更增加了在主受力面區域內形成油膜的難度。由此可知,小頭瓦潤滑油壓力不足且回油困難是造成軸瓦磨損的主要原因。
 
4 故障解決辦法及措施
 
建立潤滑油膜是保證小頭瓦穩定運行的關鍵。我們通過以下措施,來解決往復壓縮機小頭瓦燒損問題。
 
4.1 對損壞小頭瓦及十字頭銷進行更換,確保其配合間隙連桿小頭瓦與十字頭銷的配合間隙數據是很重要的,在檢修更換時一定要把間隙控制在技術范圍內,如果間隙小于技術要求,結果會引起油溫升高使潤滑油通量不足,摩擦功耗增大,過熱的熱量不斷積聚,使軸瓦表面燒損。如果間隙大于技術要求,會引起油壓降低,小頭瓦與十字頭銷產生撞擊,嚴重影響壓縮機的工作壽命。
 
為了確保配合間隙及精度,首先用涂色法檢測十字銷與襯套的貼合面,接觸面積要求達到70%以上,分布均勻;小頭瓦與十字頭銷之間的配合間隙符合機組技術要求。
 
4.2 對小頭瓦回油槽進行改進,保證回油量因為小頭瓦與十字頭銷之間的裝配檢修有一定的技術要求,不能過大。因此,在軸瓦的內面加工有回油槽,進入軸瓦內部的潤滑油順暢的從軸瓦兩側流出。但我們拆檢軸瓦發現,回油槽與軸瓦側端面是不聯通的,勢必造成潤滑油在回油槽兩端的堆積,因其排出不暢造成困油現象。十字頭銷與小頭瓦之間摩擦產生的熱量不能及時被潤滑油帶著,便產生大量摩擦熱,導致潤滑油膜汽化,嚴重破壞了十字頭銷與小頭瓦之間的潤滑狀態,導致軸瓦的燒損。
 
為了能使潤滑油及時的排出回油槽,我們在小頭瓦兩側端面加工了寬5 mm,深0.5 mm的泄油溝槽,使其與軸瓦內表面的回油槽相通。泄油溝槽深度尺寸不易過大,既能保證帶走小頭瓦與十字頭銷摩擦產生的熱量,又能保持一定的阻力,防止潤滑油泄漏過快而破壞油膜的建立。
 
4.3 確保小頭瓦潤滑油量及油壓
 
為了提高小頭瓦的進油量,我們將瓦背通油孔直徑由準8 mm擴大為準10 mm。同時,對潤滑油管路進行了清洗,更換了油過濾器芯,以保證潤滑油進油壓力。通過以上措施,提高了軸瓦潤滑油量,軸瓦摩擦產生的熱量能及時帶走。潤滑油粘度及溫度對油膜建立影響較大,因此,在機組日常操作中,嚴格按照機組操作說明要求控制潤滑油各項指標,確保潤滑油的黏度不宜過大,同時要控制好供油溫度,不宜過低;尤其在冬天,油加熱器功率過小可能無法達到啟動最低油溫,可空載運行一段時間,待潤滑油溫度上升后再加載。
 
來源:《壓縮機技術》

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