轴流泵叶片调节机构常见故障分析与处理

轴流泵叶片调节机构常见故障分析与处理

余占湖(广东粤港供水有限公司，深圳；518021)

李迎春(中国石油天然气管道工程有限公司，廊坊；065000)

摘要：针对转浆式轴流泵叶片机械全调节机构出现的常见故障，从安装、受力和运行等方面分析故障的原因，并提出相对应的处理对策。

关键词：泵站轴流泵叶片调节机构故障分析

1引言

东深供水工程是一个向香港、深圳及东莞沿线供应源水的大型跨流域引水工程。其中二期泵站有26台64ZLQ一50和50ZLQ一50轴流泵，三期泵站有33台2.0ZLQ13.4—8轴流泵，太园泵站(四期泵站之一)有6台2.4ZLQ20—9.5轴流泵。水泵叶片皆采用机械全调节机构。泵组自投入运行以来，调节机构出现推力轴承异常损坏、调节杆松脱等故障，严重影响泵组的安全运行。本文从调节机构安装、受力和运行等方面分析故障的原因，并提出相应的处理对策。

2叶片机械全调节机构简介

轴流泵机械全调节机构的结构大同小异，一般由电动装置、变速装置和调节装置组成。

图1为东深三期泵站水泵机械全调节机构结构图。其调节原理如下：

阀门电动装置的输出轴带动齿轮l2及齿轮螺母l4旋转，齿轮螺母l4带动丝杆l0上下位移，同时带动轴承体(轴承盖7、推力轴承16和轴承18、轴承座17及衬套)沿导向键5方向上下位移，从而带动接杆2上下位移(同时接杆2及推力轴承l6上环还随主轴转动)。

1．连接法兰2．接杆3．支座4．下盖5．导向键6．衬套7．轴承盖8．螺母9．上盖10．丝杆11．轴承l2．齿轮13．自整角发射机l4．齿轮螺母15．轴承753616．推力轴承906943617．轴承座18．轴承9069238

图1叶片调节机构结构图

图2为叶片角度调节示意图。接杆与调节杆相连，调节杆往上移动时，十字操作架带动连杆向上移动，通过拐臂带动叶片枢轴转动，叶片枢轴带动叶片角度增加：反之，叶片角度减小。调节机构齿轮腔一般采用润滑脂润滑，轴承体采用稀油润滑。推力轴承一般采用自然冷却，也有采用循环冷却水，最高运行油温70℃。

图2叶片角度调节示意图

为更深人了解故障原因，以下对调节机构受力做简要分析。

3叶片调节机构受力分析

叶片系统受力情况比较复杂，如图3。叶片系统受力主要有：叶片上的水压力Fz、叶片体系的重力G、叶片体系的离心力Fc、调节杆传到拐臂上的力Fp、轴承座的支反力Ra、Rb、Rc等。作用在叶片体系上的力形成空间体系，为简化其见，通常将各力视为平面力系。忽略其值很小的次要力，其中包括：连杆在倾斜位置时，连杆传到枢轴上的力是有水平分力的，但其值很小；液体作用在叶片上的压力也是有水平分力的，但其值也是很小的。【1】【2】

为使叶片转动，调节杆产生的驱动力矩Mp应克服水力矩Mt和轴承A、B、C处的摩擦力矩Ma、Mb、Mc。其中与枢轴转动方向相同，摩擦力矩Ma、Mb、Mc与枢轴的转动方向相反，水力矩的方向是固定的，一般总是使调节杆受拉。【4】

调节杆向上移动时，枢轴力矩平衡方程式为：

调节杆向下移动时，枢轴力矩平衡方程式为：

所以，调节杆传到枢轴上的力为：

式中为拐臂长度，“+”表示调节杆向上移动，“一”表示调节杆向下移动，考虑调节杆的摩擦损失以及连杆与拐臂不垂直等因素，实际调节杆的受力为：

式中F——调节杆的受力

Z——叶片数

Ф一叶片调节角度

由(4)式知，当叶片向大角度方向时，由于摩擦力矩Ma、Mb、Mc与水力矩Mt同向，Mp等于两者迭加，调节杆出现较大的轴向力。反之，由于摩擦力矩Ma、Mb、Mc与水力矩Mt反向，Mp等于两者相减，轴向拉力变小，当摩擦力矩小于水力矩Mt时，调节杆受力就会反向，从受拉转变为受压。

东深二期泵站调节杆轴向力的测试结果如图4，在泵组起动和叶片向大角度方向调节的初始阶段，轴向力迅速增加，出现较大的轴向拉力(最大达9.5t)。上调过程中，轴向拉力随叶片角度增大而逐渐减小。反之，当叶片向小角度方向调节时，轴向拉力急剧下降，甚至可能转变为轴向压力。该结论与上述理论分析结果是一致的。

对于轴流泵叶片，水力矩Mt为：

.

其中液体压力作用点到枢轴的距离em≈0.15Lm是该点所在流面的水平投影长度。叶片角度越小，em越大；同时，轴流式水泵的轴向力Fz随叶片角度的减小而增大【5】。由于摩擦力矩基本不变【3】，从(4)和(5)式知，调节杆轴向力在叶片小角度时较大，这也是与图4实际测量结果相一致的。

以下针对机械全调节机构在运行过程中经常出现的故障，分析其原因并提出处理对策。

4、叶片调节机构常见故障

4．1推力轴承异常损坏

正常情况下推力轴承能够承受调节杆、十字操作架等部分的重量和操作力，但是实际运行时，往往由于各种原因导致推力轴承受力过大或受力状态不好而使推力轴承出现寿命过短或异常损坏。

以二期泵站为例，投入运行以后，其中20台机组在不到一年的时间内，推力轴承损坏45套，每套轴承平均寿命仅500小时。推力轴承的使用寿命按下式计算：

式中n一工作转速

c_轴承额定动负荷

P一当量动负荷

二期水泵转速速n=250r／min，采用双列推力球轴承38315，其额定动负荷为13800kg，按(6)式计算，使用寿命要达到5000小时，实际的轴承负荷应小于3t。在9．5t的负荷下，只

能使用200小时左右(表1)。

另外，在三期泵站和太园泵站都出现过推力轴承运行几小时就烧毁的现象，其特征是推力轴承的大端面严重磨损，而轴承外圈的大挡边也有刮伤的痕迹。

根据(4)式计算的推力轴承的理论受力远小于实际值，可以肯定调节机构在安装和运行上一定存在问题。主要原因：

(1)推力轴承轴向间隙偏小。太园泵站轴承烧毁其原因就是轴承外圈被顶死，轴承无法自动调心而导致外圈的大挡边与滚子摩擦引起烧毁。调整间隙后轴承运行正常。

(2)调节杆弯由而产生交变弯矩。在推力轴承处既增加摩擦力矩，又加大调节杆的轴向力。

(3)调节杆安装不同心和曲折导致推力轴承偏心受压。在轴向力的作用下，左右两侧的滚子受力不均匀引起推力轴承烧坏，三期泵站出现的推力轴承烧坏就是该原因引起的。

(4)机组摆度过大。调节机构在安装时，由于调节杆是细长轴，且机组运行一段时间后，经过磨损，调节杆轴颈与主轴内的铜套的间隙会增大。这样，调节杆在安装的位置轴线并不是它的实际回转中心，再加上机组运行可能产生的摆度，将会导致上下调节杆的轴线偏差，从而导致推力轴承始终受到一个径向力的作用。而角接触轴承的径向承载能力较小，一般为其承载能力的15％左右。推力轴承所受的径向作用力是造成其损害的一个不利因素。【4

如何避免推力轴承的异常损坏?根据东深工程的经验，主要采取以下措施：

(1)调节机构安装时应尽可能消除调节杆的不同心和曲折，否则在调节杆上将产生附加

的轴向力而导致推力轴承异常损坏。

(2)尽可能避免机组小角度运行，以减小推力轴承受力。

(3)调节时采用“回关”的办法。即当机组要求在角度运行时，不是从较小的角度直接上调到，而是先调节到比稍大的角度后再回关至运行。试验数据表明，采用该法运行可降低调节机构轴承受力75％，延长轴承使用寿命。

(4)为防止主轴摆度而引起调节杆摆动导致轴承受过大的径向负荷，可以调整中心，适当加大铜轴瓦的间隙。

(5)为降低轴承所受的径向力，适当增加轴承外圈与轴承座的间隙。一般轴承与轴承座采用过渡配合，可改为间隙配合，以减少由于调节杆摆度造成的轴承径向受力过大，从而影响轴承的寿命nl。该方法在东深四期工程太园泵站已经采用，实践证明效果良好。

(6)推力轴承采用循环冷却水冷却，降低其运行温度，如太园泵站采用该冷却方式，效果良好。

4．2调节杆松脱

东深供水工程泵站及其他泵站在实际运行中经常出现调节杆松脱现象161。上下调节杆一般采用螺纹连接，在螺纹处采用止位销钉固定的方法。水泵正转时，调节杆与主轴一起转动，由于调节杆一般采用反螺纹联结，因此调节杆不易松脱；当机组停机反转过程时，由于调节杆受惯性力和摩擦力矩作用来不及随主轴反转，从而容易导致调节杆松脱。

调节杆松脱带来的危害，第一是机组实际运行角度降低，流量减少。以东深三期机组为例，调节杆松脱14mm，调节杆伸长，导致实际运行角度偏低约4。，流量减少约15％。第二，当调节杆松脱后的长度超过调节杆的最大长度后，由于受轮毂内拐臂和调节机构内轴承体的限制而将整个调节机构顶起，出现事故。第三，调节杆连接螺纹在机组正反转过程中容易咬合，检修时调节杆无法松开。第四，导致调节杆受压而弯曲，推力轴承受到附加的压力，因此引起推力轴承损坏。

为防止调节杆松脱，调节杆螺纹联结处可以采用点焊固定。

另外在东深工程轴流泵机械调节机构还出现调节机构丝杆跟转，引起导向键损坏故障，主要是丝杆螺纹咬合，估计与调节机构安装和润滑有关。轮毂内连杆销也曾经出现松脱，导致叶片翻转，经过点焊固定处理后正常。

5结论

轴流泵调节机构的受力十分复杂，叶片上的水力矩和摩擦力矩是决定调节杆受力的主要因素。调节机构推力轴承受力与调节机构安装、运行有关。机组运行采用“回关”的办法可大大降低推力轴承受力。调节杆松脱是导致调节机构损坏的主要原因，运行时应采取有效措施防止调节杆松脱。

参考文献

l沈阳水泵研究所．叶片泵设计手册．机械工业出版社，l983

2徐纪方等．水力机械强度计算．北京：机械工业出版社，1990

3余志瑞等．东深供水二期扩建工程水泵叶片调节机构存在的问题及改善措施．东江一深圳供水二期扩建工程技术专题汇编，1987．2

4姜松等．QZT70型调节机构的分析和改进．东深供水工程管理论文集。2000．6

5程良骏．水轮机．机械工业出版社，1985

6朱建军等．对江都一站机械全调节机构结构故障的处理分析．排灌机械，2000．(11)

7．广东水科所，东深工程抽水站泵叶调节机构测试报告．1986

       水泵技术2002．3