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应用冷冻技术解决大直径滑动轴承安装存在的问题

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-07-24  来源:云峰发电厂  作者:宋岩  浏览次数:818

云峰大坝上布置的21 孔溢流闸门, 是重要的 防汛设备, 运行已近40 年, 由于闸门承重结构设 计上的缺陷, 大多数承重轮出现了轮轴抱死现象, 承重轮的运行状态由滚动摩擦变为滑动摩擦, 起落 闸门时抖动严重, 启闭力增大。经常起落的闸门, 踏面已严重磨损, 已经威胁闸门安全稳定运行。为 解决这一问题, 自1996~2002 年, 我们每年都进 行溢流闸门承重轮轮轴结构的改造工作, 将原结构 压合胶木轴承先后更换为FZ - 2A 自润滑轴承与铜 钢双金属镶嵌式自润滑轴承。2002 年为解决原结 构轮轴镀铬层易脱落、锈蚀的问题, 我们采用轮轴 表面外加不锈钢轴套的方法, 解决了原轴易锈蚀问 题。这些措施从根本上解决了抱轴现象的发生, 实 现了轮轴结构自润滑免维护。但大直径滑动轴承间 隙配合安装后, 产生轴承沿轴向窜动及周向转动的 缺陷, 工作可靠性降低, 又成为新的难题。为了解 决这些问题, 在2003 年检修中, 我们成功应用冷 冻技术, 实现了过盈配合安装承重轮滑动轴承, 实 现轴承外径与轮孔内径为面接触, 不仅提高了溢流 门承重轮滑动轴承安装后的工作可靠性, 而且取消 了锁定螺钉, 为防讯设备安全稳定运行提供了保 证。

1 间隙配合存在的问题

直径大于150 mm 滑动轴承的安装, 多年来一 直沿用间隙配合装配方法进行。运行中出现的问题 是容易发生轴承沿轴向窜动和轴承周向转动。为了 防止以上缺陷的发生, 通常采用2 个一字头锁定螺 钉, 沿直径方向对称锁定, 即使这样也避免不了滑 动轴承沿轴向窜动现象的发生。轴承窜动发生在部 分溢流门的承重轮和3 号180 t 门式启闭机中方侧 主卷扬定滑轮上。承重轮由于两侧支撑板对轴承起 到轴向限位作用, 因此只能增加一定的摩擦力而不 会造成很大的危害; 而180 t 门式启闭机定滑轮由 于自由空间很大, 轴承有全部脱出的可能, 因此造 成的危害也较大(由于发现及时没有发生事故) 。

2 轴承产生缺陷原因

根据多年的检修工作经验, 构件的加工精度、 材质、装配方法是保证设备运行质量及工作可靠性 的根本, 三者缺一不可。我们认识到选择材料的重 要性并将其最合理搭配, 使其为解决承重轮轴抱死 问题起到了关键作用。但是加工精度低、装配方法 的落后仍然是我们无法摆脱的问题。原承重轮胶木 瓦分解后检查发现, 承重轮内孔加工精度极低, 且 孔上、下偏差较大, 一部分孔内壁呈锥形, 大部分 孔呈Z 形多层排列。金属轴承加工误差补偿能力 差, 是造成金属轴承安装后工作安全可靠性差的关 键所在。压合胶木瓦能满足承重轮内孔较低精度的 工作环境, 那是因为胶木瓦具有良好的补偿能力, 但金属轴承却无法补偿加工所造成的较大偏差。镶嵌式自润滑轴承安装在承重轮未二次加工的内孔 中, 便有以下几种情形: 锥形孔, Z 形孔, 标准孔 (如图1 所示) 。从图1 中我们可以清楚看到间隙配 合安装轴承的不科学性, 每个滑动轴承只有锁定螺 钉与轮孔相接触, 其余部分处于悬空状态, 当这部 分受力后发生2 种变形; 间隙小时发生弹性变形; 间隙大时轴承发生不规则的永久变形。锥形孔最容 易产生这样的变形, 因此造成的危害也最大。而轴 承转动、沿轴向窜动则是多种原因造成的。主要原 因有: 轮轴加工产生的锥度; 轴承加工产生的锥 度; 轮轴安装时产生的水平及垂直方向的误差。在水平压力和启闭机垂直拉力的作用下, 都可能使滑 动轴承产生转动或沿轴向窜动, 因此按间隙配合安 装的轴承安全可靠性是难以保证的。

镶嵌式自润滑轴承安装在承重轮未二次加工的内孔中的孔型图

3 新工艺方法

在进行溢流门承重轮轴结构改造中, 滑动轴承 的安装一直采用间隙配合, 锁定螺钉固定的方法进 行。具体施工流程为: 清除压合胶木轴承; 清理承 重轮内孔; 测量内孔直径; 根据内孔直径确定每一 个轴承外径尺寸; 与厂家联系订货; 轴承安装; 锁 定螺栓安装。但是按照此工艺流程安装轴承时, 却 发现有很多因素影响轴承安装。轴承外径的尺寸公 差, 是根据轮孔的基本尺寸确定的; 配合的间隙量 为0105~0110 mm , 由于测量误差及加工误差的累 积, 设计间隙量很难保证; 外径尺寸大了, 轴承无 法安装或者需要较大锤击力, 才能将剩余部分强行 安装到位, 致使双金属镶嵌式自润滑轴承结合处开 裂, 内径大幅度缩小。外径尺寸小了, 则造成轴承 与内孔只有锁定螺栓两点接触, 因此轴承安装后的 工作可靠性极低。另外由于轴承从两端安装, 无法 保证两轴承的同轴度。

根据多年的生产实践及理论分析认为: 只有消 除轴承安装后间隙, 尽可能的增加内孔与轴承外径 的接触面积, 过盈安装后金属内应力使其摩擦力增 大, 来抵御承重轮转动时产生的轴向力和周向力。 如果实现这一设想, 大直径滑动轴承的安装工艺将 大大提高, 为此我们进行了大胆的尝试。2003 年4 月~7 月, 在溢流门承重台车轮轴结构更改中, 应 用冷冻技术, 过盈安装承重轮滑动轴承获得成功, 解决了原安装工艺无法解决的许多问题, 在大直径 滑动轴承的安装上取得了突破, 提高了轴承的工作 可靠性。

3.1 施工工艺及技术要求

3.1.1 基础数据的采集

采用加热安装轴承的方法失败后, 我们进行冷 冻安装的试验。为了取得设计上所需要的基础数 据, 用家用冰柜代替冷冻设备, 进行各种温度下的 冷冻试验。滑动轴承的外径为237 mm , 内径为210 mm , 高度为173 mm. 在- 32 ℃温度下, 冷冻时间 为24 h 获得一组数据, 见表1。
 
冷冻试验前后滑动轴承外径尺寸表


为了掌握轴承冷冻后温度恢复过程中的变化情 况, 我们又进行了多种温度下的恢复试验, 在- 32 ℃的冷冻条件下, 轴承温度恢复试验中又获得一组 数据(环境温度22 ℃) , 见表2。

轴承温度恢复试验数据表


在试验中我们发现, 冷冻铝黄铜轴承获得 0120 mm 线性收缩量仅需要- 32 ℃的条件, 而承重 轮内孔要获得0120 mm 线性膨胀量, 2 t 重的承重 轮则需要加温近100 ℃, 而且耗能严重, 不便于施 工, 易发生烫伤。

3.1.2 施工工艺流程设计 根据试验数据, 我们设计了溢流门承重轮轴结 构更改工程的工艺流程: 承重轮内孔加工; 轴承外 径加工; 轴承冷冻; 轴承安装; 轮轴外径加工; 轴 承内径加工; 承重轮回装; 运行试验; 技术指标检 测。

3.1.3 施工工艺要求

a. 机械加工

根据工艺流程我们确定以基孔制配合安装轴 承, 以基轴制配合安装承重轮轴。 安装尺寸确定。承重轮内孔的基本尺寸为 Φ236 mm; 轴承内孔基本尺寸为Φ210 mm。轴承材 质为铝黄铜, 定货尺寸略大于实际尺寸。为了方便加工, 公差带通过多次试验后给出, 加工如图2 所示。 

承重轮轮孔及轴承加工图


b. 冷冻安装

①将加工后的轴承放进冰柜, 冷冻12~18 h , 温控器在速冻档位, 冷冻温度为- 32 ℃;

②抽样检测轴承直径应满足≤0120 mm 时方可 安装;

③安装工作应在20 s 内完成, 最长不能超过 1 min ;

④可以利用紫铜板铜棒等工具轻轻敲击, 协助 安装;

⑤为了避免轴承温度下降过快, 操作人员应戴 两层以上干爽的纯棉或皮质手套运输轴承;

⑥一侧的轴承安装好后, 要等到轴承表面结霜 自然消失后, 再进行另一侧的轴承安装。

c. 轴承内孔加工

提高了滑轮内孔、轴承外径的加工精度后, 原 以为可以满足安装两端轴承的同轴度及圆柱度要 求, 避免轴承内孔的二次加工。但是轴承安装后经 检测发现, 轴承内径缩小, 最大收缩量1 mm。另 外以上3 项指标仍然难以满足安装要求。其中圆柱 度不能满足要求是造成轴回装困难的主要原因。经 分析原因有2 点: 铸造铝黄铜材质不均匀; 内孔加 工圆柱度超差。为了解决这一问题, 将承重轮轴承 二次加工, 内径尺寸统一为210 + 0115 + 0105 mm。

通过对安装好轴承的二次加工, 可以保证2 个 轴承的同轴度要求, 不仅方便了安装, 同时也提高 轴承安装后的配合精度, 使安装后的承重轮工作可 靠性大大提高。但是在加工过程中轮孔中心的确定 比较困难, 需要多次校对, 但仍然存在偏差, 偏差 量在0105~0135 mm 之间。

3.1.4 安装质量检查及运行情况

轴承过盈安装后, 检验的目的有2 个: 一是检 验选用的过盈量是否满足大负荷的工作要求; 二是 为取消轴承锁定螺栓寻求理论依据。检验分2 个阶 段进行: 第一阶段当承重轮一侧轴承安装好后, 用 铜棒和大锤沿轴承安装的相反方向, 用中等偏上的 锤击力向外撞击轴承, 未见轴承串动, 证明所选用 的过盈量基本上可以满足要求。第二阶段大负荷检 测试验是在没有准备的意外情况下进行的。具体情 况发生在第一个轮回装的工作现场, 由于轴承不圆 度超差, 轮轴进入轴承三分之二后被卡住, 用近 300 kg 重的悠锤撞击, 也未能通过, 被死死卡住。 无奈之下只好用巨大的锤击力, 沿反方向将轮轴撞 出。检查轴承无轴向窜动现象发生, 为最终取消轴 承锁定螺栓和对轴承内孔进行二次加工找到根据。

3. 1. 5 承重轮回装后闸门的运行情况

2003 年为解决溢流门承重轮轴抱死问题, 我 们对10 号、11 号、12 号、14 号4 扇门中的16 个 承重轮进行了结构改造工作。每个近2 t 重的承重 轮回装后, 手动盘车转动灵活。每扇门检修的4 个 承重轮全部回装后, 进行全程3 次起落试验。承重 轮的运行情况: 滑动轴承工作可靠平稳、无异音、 未被卡住、无异常抖动等缺陷的发生。轴承温升检 查情况: 闸门起落结束后轴承温升检查分两步进 行, 先应用远红外线电子测温仪检测轴承及轮轴未 见有温度升高; 再用手触摸轮毂、卡板等部位也未 见有温度升高现象。

4 结束语

采用冷冻技术安装轴承, 成功实现了溢流门承重轮 滑动轴承过盈配合, 从根本上解决了以往轴承安装 存在的缺陷, 使大直径滑动轴承安装后工作可靠性 大大提高。安装工艺操作简便, 技术可行, 为云峰 电站溢流系统安全稳定运行提供了保证, 在同类设 备的改造中具有推广应用价值。
 

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