Гатауллин Тахир Талгатович, к.т.н., генеральный директор ЗАО «Динамика»
Ильин Александр Геннадьевич, зам.генерального директора по ЭПБ ЗАО «Динамика»
Палладий Анатолий Васильевич, к.т.н., доцент, эксперт ЗАО «Динамика»
Николаев Максим Николаевич, ведущий инженер ЗАО «Динамика»
Загидуллин Рафаэль Назимович, ведущий инженер ЗАО «Динамика»
АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ
Анализ надежности выполнен по результатам технического диагностирования подшипников скольжения промышленных центробежных компрессоров химических и нефтехимических производств.
В промышленных центробежных компрессорах (ПЦК) используют в основном подшипники скольжения с масляной смазкой благодаря их преимуществам перед другими типами подшипников. При правильном применении конструкций и квалифицированной эксплуатации эти подшипники надежны в работе, долговечны, ремонтопригодны. В зависимости от параметров технологического процесса промышленных производств требуется применение ПЦК с различными характеристиками (мощностью, производительностью, частотой вращения, массой ротора, режимом работы, вибрационным состоянием), поэтому в них применяются подшипники скольжения разных конструкций.
В центробежных компрессорах большой мощности и производительности К 905-61-1, К 605-181-1, К 345-92-1, К 250-61-2 и других с тяжелыми роторами установливаются эллиптические (лимонные) гидродинамические подшипники, в которых низкочастотные вибрации не возникают, а высокая жесткость и демпфирование смазочного слоя обеспечивают надежную работу. В процессе диагностирования этих компрессоров выявлены случаи надежной работы подшипников с зазорами, превышающими на 20-25% допустимые по формуляру значения. При этом общий уровень вибраций находился в допустимых пределах, а визуальный осмотр показал отсутствие следов контакта вкладыша с валом: были четко видны следы шабрения баббита при укладке вала. Выявленные факты объясняются тем, что подшипники скольжения способны приспосабливаться к различным условиям работы, благодаря свойству масел существенно изменять свою вязкость при изменении температуры. При больших зазорах в подшипнике его несущая способность снижается, но при этом уменьшается трение в масляном слое и возрастает прокачка масла, что приводит к снижению температуры масла и повышению его вязкости, которая восстанавливает несущую способность. Следовательно, подшипники скольжения способны работать даже при значительных износах. При этом в компрессорах и мультипликаторах несколько возрастают и обычно не представляют опасности амплитуды лопаточных и зубцовых вибраций. При увеличении неуравновешенности или расцентровки осей валов вибрации могут значительно вырасти.
В ПЦК широко применяются опорные подшипники с самоустанавливающимися колодками (ОПСК). При диаметре шейки вала от 70 до 140 мм в одном ОПСК устанавливают 4 или 5 колодок, что обеспечивает большую жесткость смазочного слоя, хорошее восприятие динамических нагрузок от центробежных сил, устойчивую работу в широком диапазоне частот вращения. Демпфирующая способность ОПСК меньше, чем у цилиндрического, однако вполне достаточна для надежной работы. Во многих конструкциях ОПСК колодка 1 (Рис.1) опирается спинкой по линии контакта А на цилиндрическую поверхность 2 корпуса. При вращении вала 3 колодка поворачивается, образуя масляный клин 4. Недостатками рассматриваемой конструкции являются следующие:
Фирма Митцубиси (Япония) в центробежных компрессорах и газовых турбинах применяет ОПСК с самоустановкой колодок по поверхностям штифтов, расположенных вдоль оси ротора (Рис.2). Поверхность контакта спинки колодки с опорным штифтом достаточно велика и позволяет работать при больших удельных нагрузках, обеспечивая хорошую самоустановку колодки по валу. Опорный штифт также гарантирует параллельность продольной оси колодки и вала. Экспертное обследование компрессоров и турбин фирмы Митцубиси выявило длительную, надежную, бездефектную работу опорных подшипников рассматриваемой конструкции
Рассмотрим наиболее распространенные дефекты баббитового слоя подшипников скольжения. Часто износ и повреждения рабочих поверхностей опорных подшипников происходят при пуске компрессора. Этому может способствовать недостаточная подача масла в момент начала вращения по причине загустения масла в подающих каналах или по другим причинам.
На рис.3 показана нижняя половина подшипника вала зубчатого колеса мульипликатора турбокомпрессора ХТМФ-235. Нижняя половина подшипника имеет перепускную канавку, которая снижает несущую способность. Однако нижняя половина является рабочей только при пуске и воспринимает нагрузку от силы веса зубчатого колеса. При вращении возникает сила в зубчатом зацеплении, которая больше, чем сила веса, и направлена вверх. Поэтому при работе шейка вала поднимается вверх и рабочей становится верхняя половина подшипника. Ее рабочая поверхность является гладкой и имеет большую несущую способность. Обычно рассматриваемая конструкция работает надежно. В данном случае была недостаточная подача масла в пусковой момент. Поэтому произошло стягивание баббита.
При неудовлетворительной фильтрации масла от механических примесей и твердых продуктов на рабочей поверхности колодок и расходных (боковых) колец ОПСК возникают риски в направлении вращения (Рис.4). При большом количестве глубоких рисок ослабляется несущая способность колодок из-за стравливания максимального давления в смазочном клине путем перетечек масла по рискам. На расходных кольцах окружные и осевые риски приводят к износу поверхности, увеличению зазоров и повышенному расходу масла. Аналогичная картина износа наблюдается у цилиндрических и лимонных подшипников. При контроле абразивного износа допускается не более 3 кольцевых рисок глубиной 0,5 мм и шириной 0,3 мм и не более 3 продольных рисок глубиной 0,3 мм и шириной 0,5 мм на 1/3 длины подшипника.
При эксплуатации возникают случаи, когда осевое газодинамическое усилие на роторе превышает несущую способность упорного подшипника. Происходит осевой сдвиг ротора, упорный диск ротор касается колодок, стягивает и разрушает баббит
На рис.6 показаны дефекты колодок упорного и опорного подшипников при помпаже. Помпаж – это автоколебательный процесс в системе компрессор-нагнетательная сеть, который возникает при значительном уменьшении расхода на нагнетании, сопровождается большими аплитудами колебания давления газа, что приводит к сильным осевым и радиальным колебаниям ротора и давления масла в смазочных слоях опорных (радиальных) и упорных (осевых) подшипников. В результате усталостных напряжений баббит разрушается (рассыпается), а подшипники перестают фиксировать ротор в пространстве. Происходит касание вращающегося ротора с деталями статора, что приводит к полному разрушению основных узлов компрессора.
Основная причина появления дефектов в подшипниках скольжения – это не только длительная эксплуатация, но главным образом низкое качество обслуживания: неудовлетворительная фильтрация и высокая температура подаваемого в подшипники масла, недостаточная подача смазки при пусковых режимах, нерасчетные режимы работы компрессора, при которых осевое усилие превышает несущую способность упорного подшипника, помпаж.
