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一起壓載泵故障原因分析與修復措施
2024-05-08
嚴波
（中遠海運船員管理有限公司廣州分公司高級輪機長）
一、事情經過
某輪為23萬噸礦砂船，壓載泵電動機/馬達的廠家為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6324/C3，非輸出端軸承型號6319/C3，重量400KG。
筆者上船接班伊始，發現NO.2壓載泵軸封漏水較大。第二天組織人員拆檢，發現軸封定環裂開幾段，裂開的原始位置是定環的定位半圓孔，據此初步認為是定環外徑過小、安裝在壓蓋上過松、泵軸旋轉過程中定環隨動環旋轉撞擊定位銷引起的。作為國產仿制軸封，定環與壓蓋上的定環座之間是通過O-ring密封的；因該O-ring線徑過小，改用其它粗線徑的O-ring，就將其剪開，自行粘了一條O-ring裝復。后續開往澳洲途中換了一次壓載水，無漏水情況，于是以為問題得到了解決。但在澳洲靠泊后，排水接近尾聲時，軸封出現了漏水，說明問題依舊存在。上一任輪機長交班時曾解釋過原因，認為是水泵軸變形導致整臺泵振動過大而損壞軸封的。從澳洲回國靠泊后，有鑒于泵的軸封易于損壞之情況，就安排外協單位修理。原計劃將泵軸連帶葉輪吊岸，檢查泵軸是否變形，并對泵軸及葉輪進行動平衡試驗。后來考慮馬達軸承自出廠到現在已10年未更換，便安排都送岸維修。靠泊期間，航修人員校正過中線，對做了動平衡的葉輪、泵軸及換新的馬達兩端軸承進行回裝。令人始料不及的是，在開往澳洲途中用該壓載泵換水，第一天使用了12小時，第二天下午約1530L時聞到一股燒焦的味道，發現NO.2壓載泵正在冒煙。停下檢查，發現聯軸節處馬達側已變藍，馬達下端（輸出端）蓋燒焦、油漆皮發黃/翹起/脫開，用工具試圖盤車未能成功，說明馬達軸承已被咬住。因水泵處無軸承，故可認定是馬達軸承損壞。測量馬達三相電阻及絕緣，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，電動機轉子旋轉運動所產生的周向力/切向力由軸承的滾珠和圓槽承受；轉子自重及葉輪的重量主要由軸承內圈承受，因葉輪是雙向吸入式，所以工作過程中產生的軸向力幾乎可以抵消。內圈的力由軸承下端/密封蓋承擔，外圈垂直向下的力也是由軸承下端/密封蓋承擔，而軸承的下端/密封蓋則通過四個螺絲與馬達下端蓋連接。也就是說，下端蓋同時承受葉輪、轉子的重量及旋轉產生的力。
2.損壞分析
通常情況下，馬達的軸承安裝在前/下、后/上端蓋時，軸承的前、后端都有軸承密封端蓋，以便于裝配、檢查軸承。臥/平式泵馬達的軸承蓋起定位及承受軸向力的作用，不承受馬達轉子及葉輪重量，受力較輕；豎/立式馬達軸承端/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/密封蓋由內圈與外圈兩部分組成（二者可以相對運動）。端蓋內圈與軸承內圈對應，軸承轉動時，端蓋內圈也一起轉動。也就是說，端蓋的內圈與馬達轉子軸同步旋轉。端蓋的外圈與軸承外圈對應且是靜止的，故可形成動態的迷宮密封，以對潤滑油進行密封，多余的潤滑油則由管子排出。損壞的原因主要是潤滑油的質量及/或牌號有問題，所以在使用初期就有潤滑油從迷宮密封處漏出，這或者是潤滑油脂過稀，或者是潤滑油不耐高溫。當軸承內的潤滑油脂失去潤滑功能后，軸承的滾珠開始干磨，隨著發熱量的增大，滾珠發熱變大，滾珠在圓槽的自由轉動受阻，與圓槽的摩擦阻力增大，于是軸承外圈的狀態開始發生變化。正常情況下，軸承外圈與軸承座是過盈配合的，由于軸承外圈受到滾珠拖動，由靜止狀態開始轉動，即所謂的“走外圈”。軸承外圈與軸承座摩擦，隨著摩擦增強、溫度增加，磨損進一步加劇——經測量，軸承的外徑與軸承座/孔的間隙達0.4mm。正常情況下，軸承下端/密封蓋內圈隨著軸承內圈的轉動而同步旋轉。當軸承下端/密封蓋內圈缺乏潤滑而與外圈干磨時，隨著摩擦阻力的增加，軸承下端/密封蓋內圈與外圈不再是相對運動，而是逐漸變成不動，相當于一體。但是馬達轉子軸的力足以克制摩擦力而旋轉，于是軸承與軸的配合面（端面及圓柱面）就由靜止狀態變成相對運動狀態——剛開始，軸承的溫度高于軸的溫度，馬達軸脫離軸承內圈的束縛自由轉動，隨著軸溫度的升高，間隙變小，再后來在高溫下軸承內圈與軸配合的圓柱面及端面發生熔裂、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圈。軸承廠家——SKF的資料顯示，軸承是2011年的隨機備件，所以質量肯定是有問題的。這表現在：（1）軸承座/孔的尺寸保持完好，幾乎毫發無損（所幸軸承座/孔完好，不然將更難修復）；（2）部分材料粘結在軸上，說明軸承的材質比軸差，正常情況下，軸承的材質如強度、硬度等應該 比軸好。
圖1 軸承下端蓋
三、修復措施
將馬達吊出，聯軸節經加溫后拆出，軸承下端/密封蓋拆開，試圖把損壞的軸承拉出。因為過緊，采用加溫+拉碼的方式也未能將其拉出。據此估計軸承內圈、軸粘結在一起。無奈之下，只能采取破開軸承的辦法。因為軸承大，使用手提式切割機費時、費工具，于是決定使用氣割（務必防止灰塵、火星等雜物飛濺到電動機內部而引起電動機絕緣電阻的變化，可以用一塊鍍鋅鐵皮擋在轉子、定子前面）：外圈離軸較遠，只好在軸上鋪墊保護物，再使用氣割把外圈割掉，取走滾珠及擋圈；內圈靠軸太近，不易控制，為了安全起見，使用手提打磨/切割機小心切削（特別是軸的位置要更加小心）。
如圖2所示，軸承內圈全部清理后，轉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）及臺階位的堆積物讓人難以找到參考面、無從下手。圓柱面的修復，既要考慮表面的平整度、同心度，又要考慮過盈配合。因為轉子長且重，船上無法把轉子從馬達上取出，只能就地修復。就地修復的難處在于位置受限，轉子軸不能像在車床上勻速旋轉，從而難以保證轉子的尺寸精度。為了解決問題，就在轉子軸上安裝了一個臨時軸承，下端用一個支撐架托著軸承，保持轉子軸的水平，并用一臺減速電動機帶動勻速轉動軸，從而在一定程度上彌補了無法上車床的不足。因操作中受限于使用銼刀，修復異常艱難，只能在不斷的轉運過程中依靠目測修整，費時、費力且需不斷地測量軸的外徑，以免過度修整而破壞軸。將原馬達換下來的舊軸承放在油鍋加溫至100℃,再快速地安裝到轉子軸上，然后將部件逐一回裝；調整好中線后水泵試運行，電流正常，盡管振動略偏大，但可以短時間使用。因排水的需要，兩臺壓載泵需同時工作，并適當調整兩臺壓載泵使用的時間，配合裝貨進度快速排水，并未影響裝貨時間。
圖2 磨損的軸蓋
四、振動的解決
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過大，所以如何解決振動問題是根本。水泵擋水盤與裝軸封的孔是同心的，通過測量軸的表面與擋水盤的距離可以確定泵軸是否在泵的中心位置。經測量，前（艏）距離是95mm，后（艉）98mm，定環的內徑是102mm，定環的外徑與定環座有幾絲的間隙，泵軸在此處的直徑是100mm。也就是說，泵軸外徑與定環內徑之間的間隙是2mm，前后各1mm。如果軸晃/振動厲害或定環和軸不同心，就會碰到定環的內壁，從而損壞定環。從以前拆出的已損壞的軸封可以看到，幾乎都是定環損壞。消除軸封易損壞的故障，需從以下三方面著手：（1）確保泵軸與馬達輸出軸的同心度；（2）確保泵軸與壓蓋/定環同心；（3）減少泵的振動。
1.確保泵軸與馬達輸出軸的同心度。其方法是：盤車，測量馬達聯軸節的跳動量，評估馬達軸承的跳動量。若經測量，跳動量只有幾絲，就說明馬達軸承沒問題；若裝上舊泵軸后，在端部測量的跳動量達幾十絲，或者裝上新泵軸后，情況有所改善，則說明舊泵軸還是存在一定程度的彎曲、變形。泵軸聯軸節與馬達聯軸節通過精加工，凹凸圓環將達到很好的定位作用，從而確保馬達與泵軸的對中，同心度高。正常情況下，兩邊聯軸節上緊螺栓后，兩個端面之間若0.02mm的塞尺不能插入，外表面就在同一圓面內，拆開螺栓后，泵軸連同葉輪會自行掉下來，自然分開；不能自然分開的話，說明存在卡阻，需要查明原因。
2.確保泵軸與壓蓋/定環的同心度。其方法是：將泵蓋向船艉方向拉動1.5mm，如果拉不動，就說明馬達的下端蓋凸緣與機架上內孔相接觸（凸圓、內孔起定位作用）。這時把壓蓋轉動180度后裝配，情況將會有所改善——軸封定環的內圈/環與軸的距離較轉動前均勻（軸封定環與泵軸的距離通過前后、左右四個位置確定，一旦距離不一，泵軸旋轉中就會晃動，從而容易觸碰定環而將定環損壞）。
3.減少泵的振動。俗語云：基礎不牢，地動山搖。泵架是用鋼板彎曲成圓形、兩端加蓋鋼板燒焊而成的，上、下有兩個大孔，用于裝馬達并固定在水泵上。泵架前、后（艏艉方向）開了兩個大小不一的檢查/檢修方孔，用于拆裝聯軸節和盤車，兩端鋼板之間由四條加強肋板支撐，以增強上蓋板的支撐力，承受馬達的重量。有些船舶是在馬達的吊孔環位置加固，方法是通過兩根帶可調節的撐桿，一端固定在墻壁上或其它結實牢固的地方，一端通過螺栓連接到馬達的吊孔環，通過轉動調節頭而使撐桿頂住馬達，但作用/收效甚微。
如圖3所示，多加裝了四根肋板，有效地加強了泵架上、下兩塊圓板的力，能更好地承受重達3噸的重量及水泵葉輪旋轉的力，減振效果明顯。
圖3 泵架加裝肋板
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