3CIMX4型透平机组主油泵故障分析及优化改造

谈世龙，蒋月胜

（马钢股份有限公司能源总厂,安徽马鞍山 243000）

1 概要

马钢第一能源总厂第十二空压站，2003年随2#高炉系统建设，配套安装一台3CIMX4型美国产四级透平式压缩机，专供高炉系统喷煤压缩空气，正常要求压力在1.15 MPa左右。由于是单台机组专供高炉生产喷煤用高压气体，一旦设备及其辅助系统发生故障，只得临时 转供中压氮气，否则，将直接影响高炉系统的正常生产，因此，必须保障透平机组及其配套辅机系统的稳定性。

3CIMX4型四级透平压缩机，配备1台2250HP主电机，通过联轴器驱动透平压缩机增速大齿轮，将动能传递给围绕大齿轮周边星状分布的4个小齿轮轴，带动叶轮高速旋转（转速在17226~30707 r/min之间）以压缩空气。中心大齿轮轴端，以梅花形弹性联轴器带动1台齿轮主油泵（见图1）。

图1 原结构示意图

设备开机前与停机后，以1台电动辅助油泵，给各级轴瓦与啮合齿轮强制供油，进行润滑冷却。当透平机组启动正常运转后，通过压力节点控制，主辅油泵之间由程序进行自动切换，由主油泵给系统供油，正常运行油压调试在0.2 MPa左右，以满足设备的润滑需求。

2 主油泵故障及原因分析

由于设备运行年久，主油泵及梅花形弹性联轴器等历经多次修复使用，2012年该台机组主油泵故障频发，供油压力性能明显下降，因此，我们与原设备厂家联系，订购1台新齿轮油泵与联轴器等配套备件。2013年4月我们利用设备大修的机会，对主油泵及配套联轴器等附件一次性进行更换，设备检修完毕投入正常运行，供油压力在0.2 MPa左右，能够满足生产要求。时至7月份该台透平机组，运行中，因油压低保护跳机，经检查发现主油泵联轴器损坏。对主油泵解体检查，发现油泵齿面磨损、齿轮端面与壳体端面磨痕严重，已无法修复使用。

我们对这起事故原因进行认真的分析，3CIMX4型四级透平压缩机主油泵安装是以一框架与主机壳体相固定，由于安装空间狭小受限，半联轴器对中，无法调整，日常检修拆装也非常困难。同时，该主油泵安装在齿轮箱与压缩机冷却器之间的狭小空间里，夏季正常工作环境温度较高，散热性能较差。我们在对损坏油泵解体检查检修过程中发现，新换的梅花形弹性联轴器间的配套缓冲块已全部成粉末状，散落于周边，铸铁材质的联轴器爪磨损、断裂等。根据现场情况，我们分析这起事故的主要原因为：

2.1 主油泵联轴器配套件的材质有问题

主油泵运行中出现联轴器损坏、齿轮油泵磨损，主要原因为原厂家联轴器及配套缓冲块使用材质不对引起，造成备件损坏所致。我们在更换新备件前例检时，发现联轴器缓冲块为8瓣梅花型橡胶件。缓冲块性能要求既要有一定的韧性，同时要有一定的硬度和耐磨性，因此，一般选用聚氨酯。另3CIMX4型四级透平压缩机主油泵安装在机腹内，散热性差，因此，备件必须有一定的耐热性能，而橡胶仅具备有韧性，缺少其他性能。我们当即与设备厂家技术人员进行沟通，指出备件存在的缺陷，厂家坚持认为该备件为美国进口原件，质量可靠，使用没有问题。经事后运行出现的结果分析来看，造成此次事故的直接原因是橡胶件缓冲块缺少一定的硬度、耐磨与耐高温性能，运行过程中，被直接被研成粉末，主机轴向窜动，得不到联轴器缓冲块的缓冲降低，造成齿轮油泵损坏；铸铁联轴器在设备启停与运行过程产生交变冲击，磨损加剧而断裂，失去性能，最终造成主机设备油压低跳机。

2.2 主油泵检修时安装不便

机组油泵安装定位用一框架与设备壳体连接，油泵联轴器安装中心偏差，由于空间受限，人工无法调整，多次检修拆装，安装定位精度已难以保证。

3 优化改造方案与措施

鉴于3CIMX4型四级透平压缩机为美国产品，损坏油泵备件一时难以修复，配套主油泵等附件订购周期在3个月左右，订货周期较长，如按照正常程序处理本次设备事故，将严重影响高炉的正常生产。若将高炉喷煤压缩空气长期改为中压氮气维持生产，等待订购备件，生产成本必然会有所增加；同时，即使订购原件恢复性安装，同样存在安装、调整困难等上述所分析的问题。因此，我们针对这种情况，对机组设备的结构进行了认真分析，与设备厂家专业技术人员进行沟通交流，同时加强本行业同类产品设备结构优化与发展方向的调研，对在机旁单独设立外置式主油泵和利用主电机轴端延长增设主油泵等方案优缺点比较，最终确定利用电机主轴末端，将电机主轴向外延伸，计划在电机末端外安装一台主油泵的改造方案。

我们对改造方案进行深入研究，根据此方案组织实施，必须解决：（1）新延伸短轴用什么方式与电机主轴连接，解决同轴度问题；（2）新延伸短轴通过联轴器带动油泵所承载负荷，连接件必须满足承载负荷的强度要求；（3）主油泵改造，必须保证与原设备开停机、设备正常运转的原控制程序相一致，尽可能不需修改设备的控制程序；（4）选择一台性能匹配的油泵；（5）如何克服主电机检修时自由状态下试机找磁力线中心时，电机转子存在17 mm轴向窜动量的影响，以及由油泵改造安装位置的改变而牵涉到供回油路的改进完善等问题。

为此，我们对短轴相套卡箍、法兰式等几种可能的连接方式进行优缺点比较，组织现场测绘电机主轴端面外缘直径为￠125 mm,对电机转子进行抽芯（测量电机轴总长4500 mm，转子最大回转直径￠590 mm），选择相应机床进行加工。重新设计加工带动油泵的法兰短轴（见图2），用简洁的法兰螺栓结构形式与电机主轴连接。在主电机轴端直径为￠95 mm圆上，与短轴法兰分度配钻加工6只M12连接螺栓，选用10.9级高强度螺栓，将短轴与电机轴合为一体，以原电机轴轴承档位支撑为基准，在机床上进行整体找正加工，从而保证了延伸加长的法兰短轴与主电机轴的同轴度要求。为解决克服主电机检修时自由状态下试机找磁力线中心时，电机转子存在17 mm轴向窜动量问题，我们在对电机末端透盖结构设计上，定位透盖与法兰短轴￠65 mm轴径配合，前后具有20 mm可轴向移动空间（见图3）。

图2 新加工的法兰短轴

选用1台螺杆泵替代原齿轮泵，铭牌参数为Q=330 L/m、油泵扭矩为：24 N.m，因此，我们对连接螺栓强度必须进行复核验证计算。

油泵Qn=24 N.m的负荷扭矩，被6只分布在￠95mm直径上的M12连接螺栓为配钻加工，较为紧固，故我们可以不考虑摩擦受力因素，仅考虑承受扭矩作用，进行剪切强度复核计算如下：

图3 法兰短轴与电机的联接

要求τ≤【τ】 τ：螺栓实际承载的剪切强度，【τ】：螺栓材质允许剪切强度；查机械设计手册表得，M12*1.75 螺栓 d1=10.106 mm、d2=10.863 mm；其中d1为螺栓小径、d2为螺栓中径。

S=π×d12/4→S=80.173 mm2（S螺栓小径断面面积）

R=47.5 mm；（R安装螺栓分度圆半径）每只螺栓受力F为：

F=84.2 N（F为因扭矩负荷每只连接螺栓所受的剪切力）

又【τ】=σs/n (σs：为材质的抗拉强度、n：为安全系数 )

查表得 10.9 级螺栓的 σs：900 MPa，n:取值范围在3.5~5之间，取n=5；

故满足τ≤【τ】的要求。

我们选用瓦壳式新型联轴器，利用其具备一定轴向补偿性能，调整油泵轴与电机法兰短轴端的安装间隙，解决了设备电机检修试机磁力线自动找中的轴向窜动问题。以原设备钢支架基座为基础，焊接钢构架为改造后的主油泵的支撑平台，同时，将油管路作相应配管优化改造，至此，改造工作全部结束，既保证了设备所需的所有匹配性能，同时满足透平压缩机主机程序控制要求，一次性试验成功，见图4所示。

图4 改造后结构示意图

4 实施效果

通过本次改造，在较短时间内解决了长期以来困扰我们因主油泵故障影响设备长周期安全稳定运行问题，同时也彻底解决了原主油泵检修过程中拆装困难、中心无法调整、工作环境通风散热性差等问题，实现了新油泵机组，便于运行点检维护，油泵检修安装与电机主轴对中调整等问题得到了彻底解决。设备自改造投运以来，主油泵运行稳定，油压具有较大的调整空间，各项性能指数都较好地满足透平机组的运行要求，实践证明，改造较为成功。

[1]西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，机械零件[M].北京:高等教育出版社1982.