高振軍,劉建瑞 ,付 威

（江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

磁力泵滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

高振軍,劉建瑞 ,付 威

（江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

針對(duì)磁力泵滑動(dòng)軸承磨損發(fā)生后易造成隔離套磨穿事故的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種磁力泵滑動(dòng)軸承磨損實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置。簡(jiǎn)要介紹磁力泵滑動(dòng)軸承磨損實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置的工作原理，并對(duì)該檢測(cè)裝置零件設(shè)計(jì)進(jìn)行了技術(shù)說(shuō)明，最后對(duì)該裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行了理論分析。分析表明該監(jiān)測(cè)裝置能夠有效滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)提高磁力泵運(yùn)行可靠性，減少工業(yè)事故的發(fā)生有著一定的實(shí)際意義。

磁力泵；滑動(dòng)軸承；磨損監(jiān)測(cè)；設(shè)計(jì)

1 前言

磁力泵可以做到零泄漏,它的產(chǎn)生符合當(dāng)今人類追求環(huán)保和健康的需要。磁力泵本身不斷創(chuàng)新的技術(shù)引領(lǐng)市場(chǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多新的場(chǎng)合開始選用磁力泵[1]。雖然磁力泵能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)泄露，但由于采用封閉式結(jié)構(gòu)，泵內(nèi)滑動(dòng)軸承依靠所輸送的介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑與冷卻，而磁力泵輸送介質(zhì)的潤(rùn)滑性比較差，滑動(dòng)軸承常因潤(rùn)滑不良而磨損嚴(yán)重，磨損后軸與軸瓦間隙增大，轉(zhuǎn)子部件轉(zhuǎn)動(dòng)松動(dòng)，轉(zhuǎn)子中心偏離軸幾何中心[2-3],會(huì)造成磁力作用不均勻，磁力作用越不均勻泵轉(zhuǎn)子越偏離幾何中心，滑動(dòng)軸承磨損越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磨損隔離套。磨損會(huì)造成兩個(gè)結(jié)果：一是導(dǎo)致間隙溫度上升，磁力驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器的磁性減弱，傳動(dòng)力矩減?。欢请S著滑動(dòng)軸承磨損加劇，轉(zhuǎn)子磨穿隔離套，同時(shí)損壞轉(zhuǎn)子，造成介質(zhì)泄漏。但是這些現(xiàn)象從泵的外部不易察覺(jué)，很難預(yù)防此類工業(yè)事故的發(fā)生[4-7]。

因此建立泵的滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵的運(yùn)行工作狀態(tài)，對(duì)于減少安全事故發(fā)生概率和提高生產(chǎn)效率都有重大的意義。

2 設(shè)計(jì)目的

該裝置用來(lái)判斷磁力泵運(yùn)行狀態(tài)是否正常。常用的方法是通過(guò)在隔離套安裝磁導(dǎo)線圈，利用內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子的電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流判斷磨損程度，或者在軸承易磨損處安裝振動(dòng)計(jì)和在軸上設(shè)置無(wú)能點(diǎn)開關(guān)[8-10]。前一種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于輸送有磁性的介質(zhì)時(shí)磁性介質(zhì)會(huì)影響感應(yīng)電流的產(chǎn)生，進(jìn)而影響監(jiān)測(cè)精度，結(jié)構(gòu)如圖1所示；后一種方法只能發(fā)出警報(bào)，不能預(yù)知軸承的磨損極限，一旦動(dòng)作就會(huì)因機(jī)械損壞而不能再利用，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

針對(duì)以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于分布式薄膜壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的軸承實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，可以有效解決上述問(wèn)題。尤其是對(duì)于屏蔽泵，采用該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在不拆泵的狀態(tài)下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承的磨損狀態(tài)。

圖1 閉合線圈式監(jiān)測(cè)裝置

圖2 薄膜式監(jiān)測(cè)裝置

3 滑動(dòng)軸承磨損的監(jiān)測(cè)原理

磁力泵滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)的主要目的是防止內(nèi)轉(zhuǎn)子與隔離套摩擦,即隔離套摩擦保護(hù)。根據(jù)滑動(dòng)軸承磨損規(guī)律，磨損量分為輕微磨損、允許磨損和過(guò)度磨損三個(gè)階段。其中輕微磨損階段和過(guò)度磨損階段，磨損速度快；允許磨損階段是一個(gè)長(zhǎng)期的磨損過(guò)程。因此磁力泵滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)主要目的是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)滑動(dòng)軸承磨損情況，當(dāng)滑動(dòng)軸承磨損進(jìn)入過(guò)度磨損階段時(shí)報(bào)警、關(guān)泵,以防止轉(zhuǎn)子與隔離套摩擦,發(fā)生重大事故。

該監(jiān)測(cè)裝置由三個(gè)獨(dú)立液壓腔體組成，每個(gè)液壓腔體內(nèi)埋設(shè)一個(gè)壓力傳感器，三個(gè)液壓腔體內(nèi)存儲(chǔ)相同壓力值的液壓油，液壓腔體與軸之間預(yù)設(shè)一定間隙，滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置如圖3 所示。在軸承輕微磨損階段，液壓腔體與軸沒(méi)有接觸，三個(gè)壓力傳感器讀出數(shù)據(jù)為初始值P0；當(dāng)軸承進(jìn)入允許磨損階段后，泵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)液壓腔體分別與軸進(jìn)行不均勻接觸摩擦，此時(shí)三個(gè)壓力傳感器的讀數(shù)增大，根據(jù)三個(gè)腔體壓力傳感器的讀數(shù)來(lái)判定軸承的磨損狀態(tài)；在軸承進(jìn)入過(guò)度磨損階段后，三個(gè)腔體的壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)一步增大，磨損嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生腔體薄膜被磨穿，腔體的壓力傳感器讀數(shù)下降為零的情況。因此這種軸承監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)軸承的磨損狀況，保證內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子與隔離套不會(huì)出現(xiàn)磨穿事故。

圖3 滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置

4 滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

著重對(duì)滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和探討。該滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置包括液壓腔、摩擦套、支撐塊、壓力傳感器、彈性包封層等。主要內(nèi)容包括摩擦套設(shè)計(jì)及材料的選擇、彈性包封層設(shè)計(jì)與材料的選擇、安裝間隙的確定、支撐塊的設(shè)計(jì)及三個(gè)壓力傳感器的安裝。

4.1 摩擦套的設(shè)計(jì)

摩擦套是該滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。在裝置運(yùn)行過(guò)程中，隨著滑動(dòng)軸承磨損的加劇，泵轉(zhuǎn)子開始偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦套開始與軸發(fā)生接觸摩擦，由于偏心運(yùn)動(dòng)的存在，三個(gè)液壓腔的輸出壓力不同。隨著滑動(dòng)軸承磨損程度的進(jìn)一步加劇，偏心運(yùn)動(dòng)漸趨嚴(yán)重，摩擦套也開始出現(xiàn)磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)軸磨穿摩擦套的現(xiàn)象。摩擦套的設(shè)計(jì)要求是自潤(rùn)滑性能良好，具有一定耐磨性。針對(duì)以上設(shè)計(jì)要求，摩擦套材料選擇石墨或者聚四氟乙烯等自潤(rùn)滑材料。

4.2 彈性包封層設(shè)計(jì)

彈性包封層是連接液壓腔內(nèi)外殼體的包層，材料為彈性材料，能夠保證液壓腔在受到軸的擠壓摩擦?xí)r內(nèi)部壓力發(fā)生變化并由埋設(shè)在液壓腔內(nèi)的壓力傳感器表示出來(lái)。

4.3 安裝間隙的確定

安裝間隙是該裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。由滑動(dòng)軸承磨損失效過(guò)程分析可知：在允許磨損階段,磨損緩慢并且穩(wěn)定，磨損率基本保持不變,屬正常工作階段。該段時(shí)間的長(zhǎng)短決定了軸承的壽命。而過(guò)度磨損階段，其磨損率急劇增大，溫度升高，磨損速度變快，短時(shí)間內(nèi)磨損嚴(yán)重。結(jié)果導(dǎo)致泵轉(zhuǎn)子軸嚴(yán)重偏離幾何中心，轉(zhuǎn)子磨損隔離套，嚴(yán)重時(shí)可能磨穿隔離套，造成介質(zhì)泄漏,引發(fā)事故。定義滑動(dòng)軸承磨損為輕微磨損、允許磨損和過(guò)度磨損三個(gè)階段。輕微磨損階段，軸與摩擦套無(wú)接觸，三個(gè)壓力傳感器的輸出信號(hào)為初始值。在允許磨損和過(guò)度磨損階段安裝間隙的確定應(yīng)該保證該監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)軸承的磨損狀態(tài)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，確定安裝間隙的方程如下所示：

4.4 支撐塊的設(shè)計(jì)

支撐塊是位于三個(gè)液壓腔之間起固定支撐作用的三個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。摩擦套與軸的接觸摩擦過(guò)程中，不僅受到徑向壓力的作用，還受到周向切應(yīng)力的作用。為了防止液壓腔在周向方向發(fā)生位移，在三個(gè)液壓腔之間設(shè)置三個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。支撐塊不能與泵軸發(fā)生接觸摩擦，高度小于液壓腔高度，但是支撐塊高度過(guò)低，又會(huì)起不到支撐作用。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求支撐塊的高度確定如下所示：

式中：

Δh——液壓腔高度與支撐塊高度之差，

4.5 壓力傳感器的安裝

壓力傳感器分別埋設(shè)于三個(gè)液壓腔中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓腔中的壓力變化。壓力傳感器安放于靠近隔離套端，沿圓周方向均勻分布。壓力傳感器信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線輸出泵外。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)軸承單邊磨損量在輕微磨損階段，三個(gè)壓力傳感器輸出值不變，可視為安全階段。磨損量在允許磨損階段范圍內(nèi)時(shí)，壓力傳感器輸出值在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，隨著滑動(dòng)軸承磨損的加劇，傳感器壓力波動(dòng)幅值增大，在過(guò)度磨損階段，波動(dòng)幅值極大。隨著滑動(dòng)軸承磨損的進(jìn)一步加劇，軸磨穿摩擦套，傳感器輸出值降為零。

5 可行性分析

圖4 所示為磁力泵安全、警告、危險(xiǎn)的磨損量示意圖。簡(jiǎn)化后滑動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)圖5 。與隔離套發(fā)生摩擦的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的軸心偏移量為內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與隔離套的間隙厚度，取其60%間隙作為允許磨損量，距磨損隔離套還有40%的裕度。以內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與隔離套的間隙厚度為基準(zhǔn)，小于30%基準(zhǔn)值時(shí)，軸承處于輕微磨損階段，磁力泵位于安全工作區(qū)；大于30%、小于60%基準(zhǔn)值時(shí)，軸承處于允許磨損階段，磁力泵位于允許工作區(qū)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)滑動(dòng)軸承磨損大于60%、小于100%基準(zhǔn)值時(shí),軸承處于過(guò)度磨損階段，磁力泵位于危險(xiǎn)工作區(qū)，要強(qiáng)制關(guān)機(jī)。

圖4 軸承徑向磨損劃分示意圖

圖5 簡(jiǎn)化后滑動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)

戚社苗等[11]運(yùn)用MATLAB PDE工具箱為求解器，針對(duì)偏心轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，編制了迭代計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于偏心轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的性能高精度計(jì)算，得到了偏心率與承載力的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，如圖6 所示。

由圖6 可知，偏心率對(duì)承載能力的影響呈線性關(guān)系，偏心率越大，承載力越大。在該滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置中隨著滑動(dòng)軸承磨損的加劇，軸偏心轉(zhuǎn)動(dòng)的偏心率越來(lái)越大，其承載力愈大，同時(shí)對(duì)摩擦套的反作用力愈大。

圖6 偏心率對(duì)承載能力的影響

軸在偏心旋轉(zhuǎn)一圈過(guò)程中，對(duì)單個(gè)液壓腔的作用力過(guò)程是一個(gè)漸變過(guò)程，軸與液壓腔的作用過(guò)程大體分為開始接觸、完全接觸、接觸減小三個(gè)階段，如圖7 所示，對(duì)單個(gè)液壓腔的作用力是從小到大，再由大變小的過(guò)程。

圖7 單個(gè)液壓腔不同時(shí)刻軸摩擦套接觸情況

在滑動(dòng)軸承磨損裝置設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，液壓腔內(nèi)預(yù)先充滿一定壓力P0的液壓油?；瑒?dòng)軸承磨損越大，軸轉(zhuǎn)動(dòng)偏心率越大，將磁力泵安全、警告、危險(xiǎn)的三個(gè)磨損量對(duì)應(yīng)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)偏心率設(shè)為ε1、ε2、ε3（ε3＞ε2、ε2＞ε1），不同偏心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的液壓腔的壓力位P1、P2、P3，由圖6 可知，P3＞ P2＞P1。單個(gè)液壓腔在軸不同偏心轉(zhuǎn)動(dòng)下壓力變化情況如圖8 所示。

由圖8 可知，該滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置輸出壓力值隨著磨損程度的不同而不同。安裝前軸承內(nèi)填裝一定壓力（P0）液壓油，當(dāng)滑動(dòng)軸承磨損在安全范圍內(nèi)時(shí)，壓力輸出值P1較??；當(dāng)滑動(dòng)軸承磨損在警告范圍內(nèi)時(shí)，輸出值P2較大；當(dāng)磨損值在危險(xiǎn)范圍內(nèi)，輸出壓力值P3更大。當(dāng)滑動(dòng)軸承磨損進(jìn)一步加劇時(shí)，軸有可能磨穿摩擦套，輸出壓力值降為零。通過(guò)三個(gè)壓力傳感器的實(shí)時(shí)讀數(shù)變化進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑動(dòng)軸承磨損情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)滑動(dòng)軸承磨損超過(guò)設(shè)計(jì)極限之前，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，對(duì)于擴(kuò)大磁力泵應(yīng)用范圍，減少安全事故、提高泵運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性有重要的意義。如果采用單片機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成傳感器信號(hào)的放大、處理、滑動(dòng)軸承磨損量計(jì)算,可以實(shí)現(xiàn)磁力泵滑動(dòng)軸承磨損在線監(jiān)測(cè),對(duì)提高磁力泵產(chǎn)品的可靠性具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖8 單個(gè)液壓腔不同時(shí)刻不同磨損狀態(tài)下壓力輸出示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)磁力泵軸承易發(fā)生磨損的情況，設(shè)計(jì)了磁力泵滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置，闡述了滑動(dòng)軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)原理，對(duì)滑動(dòng)軸承磨損裝置各零件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。并對(duì)該磨損監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行的可行性進(jìn)行理論分析。該監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)滑動(dòng)軸承磨損程度，易于工程實(shí)現(xiàn)。尤其對(duì)于屏蔽式無(wú)泄漏泵，安裝在泵軸外部時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不用拆裝泵就能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑動(dòng)軸承磨損的技術(shù)要求。

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（編輯：鐘 媛）

圖2 軸承下機(jī)后滾子的檢驗(yàn)結(jié)果

（2）上海寶鋼集團(tuán)連鑄連軋扇形段軸承24022CA，該設(shè)備用國(guó)產(chǎn)軸承壽命平均為1個(gè)月左右，最短時(shí)僅一周就要更換軸承。經(jīng)過(guò)ART預(yù)處理后，2013年1月22日上機(jī)到4月22日 已達(dá)到3個(gè)月，目前還在繼續(xù)使用中,待下線后作出最終結(jié)論。

（3）濟(jì)源鋼鐵高線450軋機(jī)用軸承FC5678 240，原軸承最好時(shí)使用3個(gè)周期，軋鋼13.5萬(wàn)噸，應(yīng)用ART技術(shù)的軸承壽命達(dá)到5個(gè)周期，軋鋼22.5萬(wàn)噸，下線軸承完好無(wú)損。軸承待裝機(jī)繼續(xù)使用。

（4）已裝機(jī)試用的還有河南地區(qū)的安陽(yáng)鋼廠、河北地區(qū)的德龍鋼鐵股份、廣州地區(qū)的韶關(guān)鋼廠、江蘇地區(qū)的龍騰特鋼等廠家。

（5）2008年北京奧克摩新技術(shù)有限公司用 6307軸承做ART預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，通過(guò)國(guó)家軸承承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心試驗(yàn)，油潤(rùn)滑軸承壽命提高到3倍；可靠度值由97.9%提高到99.7%；脂潤(rùn)滑軸承基本額定壽命試驗(yàn)值提高到5倍多；使用壽命可靠度值由77.44%提高到99.98%。

6 結(jié)論

通過(guò)裝機(jī)使用，可以得到如下結(jié)論：

（1）初步試用證明，應(yīng)用ART技術(shù)的軸承使用壽命可以提高2倍以上，完全可以部分替代進(jìn)口軋機(jī)軸承。

（2）應(yīng)用ART技術(shù)的軸承不但使用壽命高，而且能因摩擦系數(shù)降低而節(jié)約能源，是節(jié)能、減排、環(huán)保的好方法,是提高軸承使用壽命的重要工藝方法。

（編輯：王立新）

Design of monitoring device for magnetic pump sliding bearing wear

Gao Zhenjun, Liu Jianrui, Fu Wei
(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

A wear monitoring equipment of magnetic pump sliding bearing was designed because that the isolation sleeve was easy to wear out. The operating principle of monitoring equipment was explained , the technical note and the feasibility were analyzed .The analysis showed that the monitoring device could effectively meet the design requirements which could improve the operation reliability of magnetic pump and reduce industrial accidents.

magnetic pump; sliding bearing; wear monitoring; design

TH35；TH133.31

B

1672-4852（2014）04-0049-05

2014-09-17.

高振軍（1986-），男，在讀博士.

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助（CXZZ13-0674），江蘇大學(xué)12批科研立項(xiàng)（12B071）.