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正確的軸承、潤滑和密封以及主動維護對離心泵至關緊要
2010-07-22
離心泵必須經常在環境惡劣的運行條件下運行，導致極有可能發生過早損壞的現象——這勢必會增加了成本損失和由于故障停機造成的生產力下降的風險。在提高泵的可靠性、減少維護工作量和降低能耗的壓力下，尋找、確定和執行減輕風險等級的可行性解決方案就成為了當務之急。
評估泵的維護和維修方法（尤其注意軸承、潤滑和密封的維護和維修方法）是獲得更高級別的泵的可靠性和延長使用壽命的關鍵工具。選擇正確的軸承、潤滑油和密封系統，再輔以主動的工況監視方法，有助于延長泵的使用壽命，減小泵進行提前更換或改造的必要性。
評估泵的維護和維修方法（尤其注意軸承、潤滑和密封的維護和維修方法）是獲得更高級別的泵的可靠性和延長使用壽命的關鍵工具。選擇正確的軸承、潤滑油和密封系統，再輔以主動的工況監視方法，有助于延長泵的使用壽命，減小泵進行提前更換或改造的必要性。
選擇軸承
離心泵中的軸承可以支撐施加在葉輪上的液壓負荷、葉輪和泵軸的質量以及聯軸節和驅動系統產生的負荷。軸承也能將泵軸的軸向和徑向偏差保持在葉輪和軸封所容許的范圍內。
多種條件有助于連續對很多離心泵中的軸承進行測試。在軸承試圖將摩擦降到Z低的同時，軸承經常承受著較高的軸向負荷、臨界潤滑、極高的運行溫度和振動，如果這些因素不加以控制，就會產生功率損耗、熱量過大、噪音和磨損，使軸承提前損壞。
所有這些影響因素會顯著地影響軸承的使用壽命和可靠性，因而又會影響泵的使用壽命和可靠性。所以，首先需要在軸承預期的運行環境情況下評估軸承（類型、結構和布局）。
設計出很多相匹配的軸承，以滿足離心泵所處的Z嚴苛的工作條件。舉例來說，包括各種形式的角接觸滾珠軸承在內的推力型軸承（支撐泵中液壓力產生的軸向負荷），就適合很多應用條件。
單列40°角接觸滾珠軸承
這些軸承是如今正在使用的Z流行的API泵推力軸承，一般用于中速離心泵。在這樣的泵中，會產生很高的推力負荷。剛性銅罩變型設計適用于推力負荷變化大的應用條件，在運轉和滾珠滑動期間，很可能會產生很大的推力負荷。一旦發生氣蝕現象，這些軸承也能抵抗破壞性振動力。
軸承一般以背靠背的形式成對布局安裝，以適應反向推力負荷，提供足夠的泵軸支撐力，有助于延長機械密封的壽命。尤其應該注意內部間隙。當安裝以后和在運行溫度時，軸承應留有足夠的剩余內部間隙，以便進行冷運行，但間隙不能過大，以促進惰性軸承的滑動。
雙列角接觸滾珠軸承
在ANSI標準離心泵和某些老式的API形式泵中，這些軸承（圖1）被廣泛用作主推力軸承。Z有效的類型具有Conrad結構、ABEC-3精確公差、每列30°接觸角、整體熱處理壓制鋼罩和多種密封選項。由于軸承的接觸角向外發散，軸承表現出了更大的剛性，提高了抗失調能力。在使用成對單列角面接觸滾珠軸承時，運行條件規定，需要采用正常的或大于正常的（C3）內部徑向間隙。
離心泵中的軸承可以支撐施加在葉輪上的液壓負荷、葉輪和泵軸的質量以及聯軸節和驅動系統產生的負荷。軸承也能將泵軸的軸向和徑向偏差保持在葉輪和軸封所容許的范圍內。
多種條件有助于連續對很多離心泵中的軸承進行測試。在軸承試圖將摩擦降到Z低的同時，軸承經常承受著較高的軸向負荷、臨界潤滑、極高的運行溫度和振動，如果這些因素不加以控制，就會產生功率損耗、熱量過大、噪音和磨損，使軸承提前損壞。
所有這些影響因素會顯著地影響軸承的使用壽命和可靠性，因而又會影響泵的使用壽命和可靠性。所以，首先需要在軸承預期的運行環境情況下評估軸承（類型、結構和布局）。
設計出很多相匹配的軸承，以滿足離心泵所處的Z嚴苛的工作條件。舉例來說，包括各種形式的角接觸滾珠軸承在內的推力型軸承（支撐泵中液壓力產生的軸向負荷），就適合很多應用條件。
單列40°角接觸滾珠軸承
這些軸承是如今正在使用的Z流行的API泵推力軸承，一般用于中速離心泵。在這樣的泵中，會產生很高的推力負荷。剛性銅罩變型設計適用于推力負荷變化大的應用條件，在運轉和滾珠滑動期間，很可能會產生很大的推力負荷。一旦發生氣蝕現象，這些軸承也能抵抗破壞性振動力。
軸承一般以背靠背的形式成對布局安裝，以適應反向推力負荷，提供足夠的泵軸支撐力，有助于延長機械密封的壽命。尤其應該注意內部間隙。當安裝以后和在運行溫度時，軸承應留有足夠的剩余內部間隙，以便進行冷運行，但間隙不能過大，以促進惰性軸承的滑動。
雙列角接觸滾珠軸承
在ANSI標準離心泵和某些老式的API形式泵中，這些軸承（圖1）被廣泛用作主推力軸承。Z有效的類型具有Conrad結構、ABEC-3精確公差、每列30°接觸角、整體熱處理壓制鋼罩和多種密封選項。由于軸承的接觸角向外發散，軸承表現出了更大的剛性，提高了抗失調能力。在使用成對單列角面接觸滾珠軸承時，運行條件規定，需要采用正常的或大于正常的（C3）內部徑向間隙。
圖1 ANSI標準泵一般依靠這種軸承來應付推力負荷。
結構變化越來越普遍。這方面的例子包括采用更陡的（40°）接觸角，以提供更大的軸向負荷支承能力；在重載和潤滑不足的情況下，機加工銅罩提供了可靠的性能，減小了軸向內部間隙，促進了兩列滾珠之間的負載分配，降低了惰性滾珠組中發生滑動的可能性；ABEC-3（P6）公差也有助于軸承的安裝條件和使軸承的運行變得平穩。
專用的角接觸滾珠軸承組
對于具有Z小推力的泵，成對的15°角接觸軸承一般就足夠了。但是，對于高推力負荷的情況，則應使用高性能的機加工40°和15°角接觸滾珠軸承組，通過降低惰性軸承中滾珠滑動的敏感度，提供堅固性。這些設計的目的是，使離心泵不反轉或只周期性地發生反轉。這些軸承組的主要優點是：15°軸承的內部間隙比40°軸承的內部間隙小得多，使其不易受到離心力和滾珠滑動和回轉力的影響，從而避免滾珠發生滑動和往復動作。同時，提供了額外的徑向勁度，以保持泵軸和密封的完整性。
開口內環角接觸滾珠軸承組
利用開口內環滾珠軸承或四點接觸式滾珠軸承，匹配單列40°角接觸滾珠軸承，設計這些軸承的目的是，調節兩個方向上的推力負荷。這種布局一般用在立式泵中，以應付主要的推力負荷，但是，也可用于水平排列中，提供的支撐足以抵抗開口內環軸承無法支撐的自身徑向負荷。由于兩個軸承串聯動作，分擔了推力負荷，這種布局提供了極高的軸向負荷支承能力。反向推力負荷可以在開口內環軸承后部進行調節。這兩個軸承組的動作就像“三重奏”一樣，并具有附加的節省空間和成本的優點。
提供潤滑
根據一些研究資料，不正確的潤滑占了軸承故障的30%以上。因此，泵軸承的正確潤滑是可靠運行的基本條件。優質的潤滑油主要是在軸承的滾動元件、座圈和軸承罩之間提供一層分離的油膜，防止金屬間的接觸和不希望產生的摩擦，因為這會產生過量的熱量，從而造成磨損、金屬疲勞和潛在的軸承接觸面的熔化。適量的軸承潤滑也起到了抑制磨損和腐蝕的作用，有助于防止污染損壞。
Z常用的泵軸承的有效潤滑方法包括：
潤滑脂
潤滑脂便于涂抹，可以保留在軸承套內，提供額外的密封保護。根據旋轉速度和工作溫度，可能需要重新進行潤滑，以解決潤滑脂使用壽命過短的問題。
當運行條件允許使用“終身潤滑”軸承時，就消除了需要重新潤滑和執行相關維護任務的必要，提供了有吸引力的選擇方案。
油槽
這一選擇方案在軸承底部滾動元件的中心位置形成了一個油位，代表了各種潤滑方法之中的軸承摩擦的比較基線。使用恒定油位加油器，就可以在一定時間內取得Z佳的潤滑效果。
給油環
在這種方法中，給油環從水平軸上懸吊到位于軸承下面的油槽中，泵軸旋轉時，給油環將油槽中的潤滑油甩到軸承上面。軸承下部的油量降低了軸承系統中的粘滯摩擦，提高了泵軸的轉速，改進了冷卻效果。
油霧和油氣混合潤滑
此處，潤滑油被霧化，由氣流攜帶到軸承上。在所有泵軸承潤滑方法中，這種方法產生的摩擦量Z小（允許根據軸承的結構確定旋轉速度，而不是根據潤滑的限制），可以在軸承套內產生一個正壓（隔離侵入的污染物）。
不管采用何種潤滑方法，必須根據垂直軸的要求指定潤滑油，并采取措施能夠承受固體、壓力、溫度、負荷變化和化學物質的侵入。在泵的安裝位置難以接近時，可以集成全自動化的系統，以便能夠及時、正確和有效地輸送液體。
密封系統
離心泵中的軸承密封可以完成四項關鍵的任務：保持住潤滑油或潤滑液，擋住污染物，分離液體和把壓力限制在一定范圍內。根據固體污染物的尺寸、硬度和脆度，固體污染物既可在軸承面上產生刻痕，也會引起摩擦；水會影響潤滑油的潤滑效率；潤滑油中的污染物會顯著地降低軸承的壽命。當密封失效時，污染物就會滲入軸承區、進入潤滑油中，Z后進入到軸承中。此外，軸承中的潤滑油流失，會導致干轉運行，這Z終會造成泵的故障。離心泵軸承密封的選擇取決于獨特的需求和應用運行條件。
但是，動態徑向密封一般仍然是離心泵的Z佳選擇。這些密封在軸承面和相對運動部分（一部分通常靜止，而另一部分則旋轉）之間產生了一個屏障。典型情況下，徑向泵軸密封結合了鋼或彈性外殼。外殼被粘接到密封材料上，這樣就可以使外殼鏜孔中必要的密封干涉配合得以實現（以及方便了安裝）。
彈性密封唇
通常緊貼著泵軸安裝，提供了緊貼著泵軸的動態和靜態密封，并提供了擠壓、切割和研磨成形的密封緣。多數密封唇是用丁腈橡膠原料制成的。這種材料特別適用于處理燃料、工業流體，為此提供了高復合潤滑油。
密封的選擇必須在認真審查了應用參數和環境系數的基礎上Z終決定。尤其是在泵中使用的情況下。例如，密封會受到相對恒定的壓差，使壓力密封成為首選。
由于設計結構和嚴苛的運行條件的限制，密封通常比其所保護的部件的使用壽命短得多。所以，不要養成常見但不合時宜的習慣，即，僅根據其他部件的更換間隔確定更換密封的時間表，比如軸承，在剛一發現磨損或泄漏的跡象時，如果就更換密封，就可以防止很多軸承故障。
要想大概知道密封壽命的長短，應考慮密封受到的污染量、周期時間、轉速和熱量。當然，污染物并非密封提前出現老化的惟一原因。其他故障原因包括：
錯誤的選擇；
錯誤的安裝方法會導致泄漏；
更換潤滑油引起的普通密封材料的反應。
要想防止這些問題的出現，應制定一個嚴格的密封檢查和更換計劃。
監視泵的健康狀況
采用更主動的方法對泵進行維護，在延長正常運行時間方面，可以起到重要的作用。工況監視包括對關鍵的物理參數進行定期測量和分析，比如振動和溫度，以便能夠在發生意外故障停機、高昂的維修或更換成本以及生產力降低事故發生以前，檢測出泵系統的故障。
基本的測量儀表可以對振動、溫度和其他參數進行評估和報告。更先進的工具包括在線監視系統和軟件，可以提供實時的數據檢查。一旦有必要使用這些工具，就可以及時地采取補救措施。
振動測量
很多故障都與振動有關，振動是大家普遍認可的判斷泵序列運行工況的Z佳運行參數。通過振動可以檢測出故障，比如不平衡、失調、軸承油膜不穩定、滾珠軸承老化、機械配合松弛、結構性諧振和機座軟化。
振動測量可以迅速完成，而且，還不會造成任何外來物侵入設備內部。因為，在測量過程中，泵的設備殼體始終未被打開。此外，還應該建立工業標準，確定特種設備的振動等級。
與基準值相比較，如果“整體振動”明顯升高了（在儀表的頻率范圍內，所有振動的總和），就表示出現了故障，這就需要在設備故障出現以前加以解決。
手持式振動監視工具采用了各種技術，比如低價的振動測試筆和整體振動儀到更為復雜的便攜式數據采集器和相關的儀表，后者結構小巧，具有數據存儲功能（圖2），可以處理采集的數據。
圖2 這種儀表提供了各種測試分析技巧以及數據記錄功能。
溫度變化
定期監視溫度變化，也有助于理解系統的運行情況。溫度是監視機械狀況或施加在特定部件上的負荷的有用指標，比如推力軸承。例如，當推力軸承出現故障時，摩擦力會引起軸承的溫升。熱電偶傳感器安裝在軸承殼體上，可以測量軸承內部的溫度變化或潤滑油可以發出正在開始形成的故障的信號，可依據這些參數制定相應的維護措施。
工況監視技術工具箱包括在線監視系統。這些工具箱可以對泵進行24小時的監視，不管其安裝位置如何。這樣的技術可以連續收集數據或在永久安裝的傳感器預定頻率下收集數據，并將其分析結果發送給主計算機，以便隨后進行分析。
調動操作員的積極性
在問題逐漸變得嚴重以前，提前檢測出設備的故障方面，可以起到工廠“耳目”的作用。操作員在主動維護戰略和提高泵的正常運行時間方面，可以發揮關鍵的作用。
定期監視溫度變化，也有助于理解系統的運行情況。溫度是監視機械狀況或施加在特定部件上的負荷的有用指標，比如推力軸承。例如，當推力軸承出現故障時，摩擦力會引起軸承的溫升。熱電偶傳感器安裝在軸承殼體上，可以測量軸承內部的溫度變化或潤滑油可以發出正在開始形成的故障的信號，可依據這些參數制定相應的維護措施。
工況監視技術工具箱包括在線監視系統。這些工具箱可以對泵進行24小時的監視，不管其安裝位置如何。這樣的技術可以連續收集數據或在永久安裝的傳感器預定頻率下收集數據，并將其分析結果發送給主計算機，以便隨后進行分析。
調動操作員的積極性
在問題逐漸變得嚴重以前，提前檢測出設備的故障方面，可以起到工廠“耳目”的作用。操作員在主動維護戰略和提高泵的正常運行時間方面，可以發揮關鍵的作用。
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圖3 操作員可以在檢測正在形成的故障方面起到工廠的“耳目”的作用。
在操作員激勵可靠性（ODR）政策下，操作員可以執行以上基本的維護活動和超越他們的基本職責（圖3）。ODR將操作員包括在了維護活動中，讓他們以檢查泄漏、傾聽噪聲、監測溫度、潤滑和振動的方式，觀察和記錄泵的整體健康狀況，并負責確定一切異常的設備狀況，而且，在某些情況下，以適當的補救行動做出回應。操作員可以監視：
軸承：檢測軸承外環、內環、滾動元件和軸承罩中的故障，也可以發現泵系統中別處存在的潛在故障。
潤滑：在泵軸承內部，確定潤滑過度或不足都有助于制定出更有效的潤滑方案。
泵軸：檢查泵軸可以發現不平衡、失調、彎曲、摩擦、過大推力和松弛等故障。
密封完整性：觀察有無泄漏和檢查潤滑油的清潔度，可以顯示泵密封的密封狀況。
泵座：檢查泵座和機座，可以提前發現松弛或受到腐蝕的五金件、損壞的水泥、底板直度和泵殼軟支腳及彈簧支腳狀態的異常情況。
泵葉片通路：查找異常情況很重要，比如，檢查是否有磨損、葉片/泵葉故障和泵軸配合松弛以及由于工藝內部的外來碎片產生的污物和阻塞現象。
葉輪間隙：正確的設定是取得優化性能的關鍵，也是泵的葉輪和磨損環是否有異常情況的指標。
氣蝕和流動紊流：這樣的故障長期下去，會影響性能和泵的整體健康狀況。
溫度：溫度監測應包括監視幾個方面的溫度，其中包括軸承、潤滑、潤滑油槽和泵殼的溫度。
工藝參數：泵軸轉速、揚程壓力、出口壓力、真空、吸入、流量、水箱液位、閥門位置和產品的一致性都需要予以關注。
聯軸節操作員的監督和使用正確的泵軸承、潤滑和密封進行有效的主動維護，都有助于平穩流動運行、提高性能和延長使用壽命，以及Z終獲得優化的正常運行時間。
軸承：檢測軸承外環、內環、滾動元件和軸承罩中的故障，也可以發現泵系統中別處存在的潛在故障。
潤滑：在泵軸承內部，確定潤滑過度或不足都有助于制定出更有效的潤滑方案。
泵軸：檢查泵軸可以發現不平衡、失調、彎曲、摩擦、過大推力和松弛等故障。
密封完整性：觀察有無泄漏和檢查潤滑油的清潔度，可以顯示泵密封的密封狀況。
泵座：檢查泵座和機座，可以提前發現松弛或受到腐蝕的五金件、損壞的水泥、底板直度和泵殼軟支腳及彈簧支腳狀態的異常情況。
泵葉片通路：查找異常情況很重要，比如，檢查是否有磨損、葉片/泵葉故障和泵軸配合松弛以及由于工藝內部的外來碎片產生的污物和阻塞現象。
葉輪間隙：正確的設定是取得優化性能的關鍵，也是泵的葉輪和磨損環是否有異常情況的指標。
氣蝕和流動紊流：這樣的故障長期下去，會影響性能和泵的整體健康狀況。
溫度：溫度監測應包括監視幾個方面的溫度，其中包括軸承、潤滑、潤滑油槽和泵殼的溫度。
工藝參數：泵軸轉速、揚程壓力、出口壓力、真空、吸入、流量、水箱液位、閥門位置和產品的一致性都需要予以關注。
聯軸節操作員的監督和使用正確的泵軸承、潤滑和密封進行有效的主動維護，都有助于平穩流動運行、提高性能和延長使用壽命，以及Z終獲得優化的正常運行時間。
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