立式泵轴承箱漏油分析及改进_余敏.pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言立式泵作为工业流程泵中重要的一类产品，是工业、农业、炼金、石化、能源等生产领域不可或缺的设备之一，在国民经济建设中发挥着非常重要的作用。立式泵具有汽蚀性能好、效率高、可靠性好、占地面积小等优点，广泛应用于连续性生产行业。立式泵需要在高温（高压）大功率等恶劣工况下可靠平稳运行，是连续性安全正常生产的重要保障，直接影响企业的经济效益。轴承箱是立式泵的传动关键组成部分，轴承箱密封不良会导致油液浪费、轴承冷却润滑不到位等诸多问题，降低了轴承的运行稳定性，进而影响轴承寿命。轴承寿命与运行状态直接决定了立式泵的寿命，为了使轴承运行更加稳定，需要用油液对其进行冷却和润滑。国内生产的 LDTN 系列立式泵主要适用于火（核）电厂凝结器中冷凝水的抽送，也可用于温度低于 180，汽蚀余量或安装基面受限制的化工流程中输送物理化学性质类似于水的场合。然而,根据用户现场使用情况反馈和调研，国内生产的立式泵轴承箱处大多存在漏油情况。油液从上下油封位置漏出，且停车后，大量油液从轴承箱吐回油杯并溢出，造成油液的浪费及环境污染，因此需要找出轴承箱漏油原因并提出相应的解决措施。1 原轴承箱结构及漏油现象分析在高温、大功率等关键重要场合，为提高轴承的润滑性能，降低温升，球轴承大多采用油浴润滑，因此轴承箱内有存油液的油腔。国内生产的立式泵轴承箱上下油封位置存在漏油现象，并且在停车后，轴承箱内部的油液会吐回油杯并溢出，需要分析轴承箱整体和密封结构，推断出其漏油的原因。1.1 原轴承箱结构原轴承箱的结构如图 1 所示。润滑油从油杯处加入，油液经油位计、管道等部件流入轴承箱油腔,直至油位稳定在油位线。轴的上方与电机连接，下方与泵连接，由电机带动轴来使泵进行工作。轴承箱内，下方的轴承完全浸没在油液中，上方的轴承一部分浸在油液中。在泵工作时，油液在轴承的搅动下会充分润滑 2 个轴承，减小了轴承的摩擦所产生的功损，使轴承工作时的温度保持在一定范围内。doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.036立式泵轴承箱漏油分析及改进余敏1，余梦琦2，张丹艺1（1.317000 浙江省 临海市 浙江水泵总厂有限公司；2.310012 浙江省 杭州市 浙江浙能航天氢能技术有限公司）摘要 针对立式泵运行过程中轴承箱漏油的问题，分析了漏油的原因，提出轴承箱的内部结构改进措施，并对其进行试验测试。试验结果表明，改进效果良好，解决了轴承箱漏油的问题，确保立式水泵安全平稳运行，为类似泵的轴承箱设计和改进提供了参考。关键词 立式泵；轴承箱；密封；漏油；结构改进 中图分类号 TV675 文献标志码 B 文章编号 1673-3142(2023)03-0166-03引用格式：余敏,余梦琦,张丹艺.立式泵轴承箱漏油分析及改进 J.农业装备与车辆工程,2022,61(3):166-168.Analysis and improvement of oil leakage in bearing box of vertical pumpYU Min1，YU Mengqi2，ZHANG Danyi1(1.Zhejiang Pump General Co.,Ltd.,Linhai 317000,Zhejiang,China;2.Zhejiang Zheneng Aerospace Hydrogen Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,Zhejiang,China)Abstract In view of the problem of oil leakage from the bearing box during the operation of the vertical pump,the causes of oil leakage are analyzed,the measures for improving the internal structure of the bearing box are proposed,and the test is carried out.The test results show that the improvement effect is good,the problem of oil leakage in the bearing box is solved,and the safe and stable operation of the vertical water pump is ensured,which provides a reference for the design and improvement of the bearing box of similar pumps.Key words vertical pump;bearing box;seal;oil leakage;structural improvement收稿日期：2022-08-31167第 61 卷第 3 期1.2 轴承箱漏油原因分析从原轴承箱结构来看，漏油发生于轴或轴套与轴承箱体连接处（即上下油封处），而吐油则发生在停车后。通过对其结构的剖析，推断出原因主要有以下几点：（1）油封失效1轴承箱上下油封采用的是骨架式橡胶油封，骨架油封的原理是在油封和轴之间存在着油膜，其由油封刃口控制，且具有流体润滑特性。在液体表面张力的作用下，油膜的刚度恰好使油膜与空气接触形成一个新月面。而新月面防止了工作介质的泄漏，实现了旋转轴的密封2。油封失效必然会导致漏油，而使油封失效的因素有许多。首先，骨架油封安装时与轴的同轴度不一致，导致径向受力不均匀，导致漏油；其次，油封润滑不良时，难以形成油膜，导致唇口异常磨损，发生干摩擦，使油封磨损而发生漏油；再者，轴的粗糙度增加与油封的摩擦，影响油封的使用寿命；最后，立式泵在运行过程中，温度的升高以及空气中的灰尘与油封唇口接触等，都会使骨架油封失效。（2）轴承箱内外有压力差轴承上放油气管路部件消除了部分平衡腔内外压力差，但是由于轴承箱油腔内油位较高，立式泵在运行状态中会因为摩擦而产生热量，此时润滑油会随温度的升高而降低黏度，同时增大体积，而放油气管可能会被甩上来的润滑油堵塞，从而导致轴承箱内压力增大。此外，轴承长时间工作会导致局部高温，使一部分润滑油转变为气态。在轴承箱内外有压力差且没有及时消除的情况下，油气会通过油封渗出，遇到空气冷凝后逐渐形成油滴3。（3）油位过高轴承箱内的润滑油液面位于上方轴承滚珠中心稍低的位置。在工作时，轴承会把油液进行充分搅动并甩开，润滑油液堆积在箱体内一些凹槽等地方，增加了漏油、渗油的可能性。另外，润滑油液位过高，轴承箱油腔容积小，立式泵在工作时油腔内充满油液，而停车时油腔上部的油回流到下部，液位升高，会往油杯吐油。2 轴承箱结构的改进根据对原轴承箱结构以及漏油原因分析，针对其存在的漏油吐油等问题提出以下改进措施。改进后的轴承箱结构如图 2 所示。（1）优化油封结构针对原轴承箱底部（原油封与轴套配合处）漏油问题，经过论证与试验，提出了增加密封挡套，使轴承箱下方形成迷宫密封结构。迷宫密封是通过曲折迷宫的间隙逐级节流以达到阻止泄漏的目的，其密封效果与结构形式有关4。所设油位始终低于密封挡套顶部，用结构设计代替以往只依靠油封密封的形式，并且在轴套上开出 2 个斜孔，对应密封挡套顶部位置，使得泵运行时利用离心力将泄漏至该处的极少量油液通过孔和轴承内隔圈的孔甩至轴承，避免泄漏，其效果显著。其结构如图 3 所示。（2）装配工艺标准化在装配过程中严格按照标准流程来进行，并且在装配前仔细除去配件上的灰尘等杂物，保护油封等易损部件。图 3 迷宫密封结构Fig.3 Labyrinth seal structure斜孔密封挡套轴1.油杯 2.油位计 3.轴承架 4.放油气管路部件 5.轴承 6.轴 7.骨架式橡胶密封 8.轴承压盖 9.青壳纸垫 10.螺栓 11.螺柱、螺母 12.回油孔 13.轴承箱油腔 14.轴套15.骨架式橡胶油封 16.轴承隔圈 17.轴承箱图 1 原轴承箱结构示意图Fig.1 Structural diagram of original bearing box1 2 3 7 8 9 10 1117 16 15 14 13 12 4 65 油位线1.玻璃管液位计 2.轴承架 3.放油气管路部件 4.回油孔 5.轴承 6.轴承压盖 7.骨架式橡胶油封 8.轴 9.紧固螺母 10.轴套 11.轴承内隔圈 12.轴承隔圈 13.吸油孔 14.密封挡套 15.骨架式橡胶油封 16.冷却风扇 17.轴承箱图 2 改进后的轴承箱结构示意图Fig.2 Structural diagram of improved bearing box3 4 5 6 7 9 10 11 1217 16 15 14 131 28油位线余敏 等：立式泵轴承箱漏油分析及改进168农业装备与车辆工程 2023 年（3）消除压力差根据工程流体力学的伯努利方程理论5：pvghc212+=(1)式中：p流体的压强；流体的密度；v流体的速度；g重力加速度；h铅垂高度；c 常量。流体在压差的作用下更容易发生渗漏，新型轴承箱设计为内外轴承箱结构，同时合理增加回油孔，使油液能更快速地回流至外轴承箱油腔，通气管路不易被油液堵塞，及时消除箱体内外压力差，而且润滑循环效果好，可减少总加油量，改善了停车吐油问题。（4）增大油腔降低油位相较于原来的轴承箱，新型轴承箱设计为内外轴承箱结构，从而使油箱的容积增大，停车时，油液位上升高度会降低。同时，使用玻璃管液位计代替原自动补偿油杯，可通过液位计刻度控制油箱内部液位高度。加高液位计，使之高于停车后箱体内油位高度，可避免油液外泄的情况。降低油位后会带来轴承能否充分润滑问题，对此做了 4 个方面的设计：（1）轴套底部开设倒角，转动将油液带入轴承，再通过轴承旋转将油液向上方输送；（2）轴套外侧开设 2 个吸油槽，运转时油箱下方压力增大，油液从此处吸向上方低压处，通过内隔圈的孔甩至轴承处；（3）轴承箱开设2个吸油孔，油液可通过外隔圈吸至压盖腔体内。（4）增加 16 冷却风扇，防止油温过高导致粘度降低、产生油烟雾，降低轴承温升。3 试验测试针对改进后的结构，设计出模拟运行装置用于测试，搭配转速为 1 450 r/min 的电机连续运转 1 440 h，如图 4 所示。启动前，检查进油和排气管路畅通无阻塞，加入轴承润滑油（ISOVG46 号机油）至指定油位。启动后液位计油位下降约 30 mm 进入稳态运行状态，对轴承箱进行密封性检查、轴承温度测量、振动和噪音的检测。在首次测验运行 8 h 后，放油气管路少量油沫溢出，初步判断为内腔压力过大。分析设计参数，用仿真软件模拟内部流态，发现轴承箱上的吸油回油数量设计不合理，导致吸油速度大于回油速度，造成上方油液积压过多，压力增大。重新计算吸油回油的速度比，将回油孔数量调整为 7，吸油孔数量为 1。改进后第 2 版结构在连续运转 1 440 h 后无泄露情况（每隔 12 h 进行密封性检查、轴承温度测量、振动和噪音的检测6），轴承平均温度为 50，油液损耗率平均每 24 h 为总油量的 0.1%，停车后液位计油位上升 28 mm，在设计范围内，无吐油问题。4 结语通过对原轴承箱结构的剖析及提出相关结构的改进措施，并针对试验中暴露出来的问题，不断优化和改进，形成最终的可行性方案：（1）将原轴承箱下方的骨架油封改为迷宫密封与骨架密封相结合的密封方式，增强了密封效果，减少了维修保养成本；（2）增加回油孔，目的是使润滑油回流更快，防止其停留在轴承箱压盖腔内，对通气管路造成堵塞，同时防止了油液从上方油封渗出；（3）增大油腔并降低油位可以改善油杯吐油问题；4）增设冷却风扇，使轴承在长时间工作情况下冷却效果更好，提高了轴承的使用寿命。以上改进措施在试验测试中效果良好，为类似泵的轴承箱设计提供了一定的参考，同时也对解决其他设备的漏油问题提供了借鉴。参考文献1 张贞泉.大型泵轴油封失效原因分析与修复J.中国设备工程,1994(8):31.2 李小洪,魏红军,陈彬.燃料油双螺杆泵轴承箱密封的改进 J.润滑与密封,2013,38(9):103-105.3 何正石.泵轴承室漏油改造优化方案J.流程工业,2021(8):50-52.4 张楚华，琚亚平.流体机械内流理论与计算 M.北京:机械工业出版社,2016.5 沙 毅，邓 克.工程流体力学 M.北京:机械工业出版社,2020.6 李玉红,安智伟.泵轴承体标准化设计的应用 J.中国新技术新产品,2022(9):67-69.作者简介 余敏（1987-），男，工程师，主要从事离心泵产品设计研发工作。参与国家科技创新基金、新产品计划、火炬计划等项目 4 项。E-mail：图 4 立式泵试验平台Fig.4 Vertical pump test platform