船閘輸水系統(tǒng)反弧門吊桿關(guān)節(jié)軸承失效原因分析

郭棉明，李偉雄，景 慧

（中國長江三峽集團有限公司流域樞紐運行管理中心,湖北 宜昌 443133）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的疲勞破壞作為鋼結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一,已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域得到了研究,成為研究者廣泛關(guān)注的問題[1-4]。自潤滑軸承因具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、免維護、無需添加潤滑劑等諸多優(yōu)勢,被作為重要的節(jié)點基礎(chǔ)運動部件,廣泛運用于各種極端環(huán)境中,例如深水環(huán)境、空間環(huán)境等。此類環(huán)境所表現(xiàn)出來的高壓力、高水頭、高低溫是目前研究者進行關(guān)節(jié)軸承研究所關(guān)注的重點。目前國內(nèi)對自潤滑關(guān)節(jié)軸承在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究處于起步階段,尤其在關(guān)節(jié)軸承的疲勞壽命預(yù)測和失效機理探究等基礎(chǔ)性研究上較少。

1 工程概況

某水壩船閘是規(guī)模和級間水頭較大、技術(shù)較復(fù)雜的內(nèi)河船閘,采用雙線連續(xù)五級布置,設(shè)計總水頭113 m,級間最大工作水頭45.2 m。船閘輸水系統(tǒng)采用在閘室兩側(cè)對稱布置輸水主廊道,輸水控制利用輸水工作閥門（為反向弧形門簡稱反弧門）啟閉實現(xiàn),輸水閥門埋設(shè)較深,啟閉桿件長達七十多米,在高速水流作用下的閥門水動力學(xué)工況復(fù)雜,流激振動影響大。

該船閘反弧門示意圖見圖1,反弧門由門葉、支臂、支鉸梁等組成,由布置在閥門井頂部的豎缸式液壓啟閉機操作,啟閉機通過七節(jié)吊桿與反弧門相連,最上節(jié)吊桿與啟閉機活塞桿鉸接,最下節(jié)與閥門連接的吊桿為擺桿,其它各節(jié)吊桿間均為十字鉸接。啟閉反弧門時,吊桿沿埋設(shè)在混凝土墻上的導(dǎo)槽運動,垂直桿做勻速運動,閥門開度作非線性變化。動水開門,靜水閉門,在突發(fā)工況或控制閘室超灌超泄時動水閉門。啟閉機與吊桿、最下一節(jié)吊桿與上節(jié)吊桿連接處采用自潤滑球面關(guān)節(jié)軸承,型號為GE 260 TA-2RS。

圖1 反弧門示意圖

該船閘全年24 小時不間斷運行,每天穩(wěn)定運行30 閘次左右,輸水閥門開關(guān)60 次,反弧門關(guān)節(jié)軸承每天動作60 次。運行十余年后,個別運行工況較惡劣的反弧門啟閉機油缸啟門力出現(xiàn)異常,在檢修時發(fā)現(xiàn),反弧門的關(guān)節(jié)軸承已破損；擴大檢查后發(fā)現(xiàn),除最上游閘室反弧門關(guān)節(jié)軸承工作時間較短,軸承潤滑層功能未完全失效外,其它關(guān)節(jié)軸承均已嚴重失效,其中最下游反弧門與下游航道連通,運行水流條件最為惡劣,關(guān)節(jié)軸承已破碎。發(fā)生損壞時軸承已運行約10 萬次,折合運行距離約480 km。為分析實際運行工況下船閘反弧門關(guān)節(jié)軸承的實際壽命,評判關(guān)節(jié)軸承更換周期,本研究通過反弧門啟閉力檢測、工況分析及軸承壽命計算,對高水頭船閘反弧門吊桿節(jié)點軸承失效原因進行探討分析。

2 啟閉力在線檢測

利用液壓測試儀對啟閉系統(tǒng)油缸壓力進行了采集和分析,將所測得的油缸壓強經(jīng)計算公式轉(zhuǎn)換為啟閉力。由于船閘反弧門閉門過程中的閉門力主要依靠閘門自重,故測試只對油缸有桿腔（油缸拉力）壓力進行測試采集,測點示意圖見圖2。

圖2 反弧門油缸油壓測點示意圖

選取運行工況比較典型的Z2 和Z6 兩套反弧門為測試對象,測試時Z2 和Z6 上下游水位差分別為35 m、19 m。經(jīng)過油缸油壓測試轉(zhuǎn)換到反弧門啟閉力曲線見圖3、圖4。

圖3 Z2 反弧門啟閉力曲線圖

圖4 Z6 反弧門啟閉力曲線圖

比較圖3 和圖4 的啟閉力曲線可知,測試工況下,兩套閘門的啟門時間均在4 min 左右,其中Z6 反弧門啟門時間稍短,為3.7 min。閥門啟閉過程中,兩套閘門時均動水啟門力均呈先升后降的變化規(guī)律,Z6 時均閉門力呈升-降-升的變化規(guī)律。這種規(guī)律考慮是反向弧形的門體結(jié)構(gòu)形式在閥門運行過程中,門體受到了門井水流的較強作用力,導(dǎo)致閥門動水啟閉力有較大幅度的變化。閥門開啟過程中,門井水位持續(xù)下跌,支臂受下跌水流的作用力而使啟門力增加,Z2 反弧門啟門力峰值出現(xiàn)在t=80 s～90 s 范圍,為1618 kN,谷值為922 kN；Z6 反弧門啟門力峰值為1400 kN,谷值為907 kN。閥門關(guān)閉過程中的實際工作水頭已經(jīng)較開門階段降低,動水閉門力峰值一般不超過動水啟門力峰值。由于Z2 的運行水頭較大,Z2 最大啟門力較Z6 大。

Z6 的啟門力隨著行程的增加而增大,運行至1/2 行程后,油壓出現(xiàn)明顯波動,閘門發(fā)生了較長時間的振動。閉門過程中,Z6 的振動更為明顯,Z2 的振幅更大。閥門系統(tǒng)中吊桿相比閥門可視為柔性構(gòu)件,閥門則為剛度很高的構(gòu)件,兩者組成了剛度懸殊的體系。閥門系統(tǒng)的低頻振動特性主要由吊桿支配。反弧門啟閉力谷值綜合考慮各種因素后應(yīng)重點考慮避免關(guān)門過程中吊桿受壓,將可能導(dǎo)致軸承受壓[5]。

3 軸承壽命計算

該自潤滑軸承型號為SKF GE260 TA-2 LS,尺寸：d260 D370 B150 C110,基本額定載荷為動態(tài)4325 kN,靜態(tài)8580 kN。軸承材料為鋼/鋼材料及鋼/PTFE,基材為軸承鋼,自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘結(jié)在關(guān)節(jié)軸承外圈內(nèi)球面。

在考慮球面滑動軸承的壽命時應(yīng)區(qū)分基本額定壽命與使用壽命?；绢~定壽命是一個理論的指導(dǎo)值,用于估算使用壽命,使用壽命取決于實際的工作條件,是軸承在運行中達到的實際壽命。

基本額定壽命以大量實驗室測試為依據(jù),通過對軸承運行測試軸承游隙或摩擦達到特定值的時間。基本額定壽命考慮到多種影響因素,以運轉(zhuǎn)小時數(shù)或往復(fù)擺動次數(shù)為單位。但有些情況下,污染、腐蝕、聯(lián)合動載等因素很難量化,球面滑動軸承在相同工作條件下可達到或超過基本額定壽命。

假定反弧門吊桿與擺桿之間的最大相對轉(zhuǎn)動角度為45°。在運行過程中,軸承內(nèi)部的滑動速度為準靜態(tài),得出滑動速度為0.002 m/s。

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果,得知軸承可能最大載荷為1600 kN。根據(jù)設(shè)計階段仿真及測試成果,交變頻率為3 Hz～5 Hz,工作溫度20℃。

軸承基本額定壽命可根據(jù)以下公式計算

式中：b1為載荷方向系數(shù),定向載荷為1,交變載荷為2；b2為溫度系數(shù),溫度小于120℃,為1；b3為滑動系數(shù),直徑為260 mm,為3.6；b4為速度系數(shù),滑動速度為0.002 m/s 時,為1；b5為擺動角系數(shù),擺動角為45°,為10；p 為軸承給定載荷。

v 為平均滑動速度0.002 m/s。

計算得到軸承的基本額定壽命為：19273 h。

根據(jù)這款軸承在實驗室環(huán)境下理論能運行16542 h,開合總次數(shù)達545880 次,折算為24.8 年。

4 軸承失效原因分析

影響球面滑動軸承壽命的主要因素有負荷、擺頻、擺幅、軸承尺寸、材料與制造質(zhì)量、環(huán)境與潤滑等,見表1。

表1 影響球面滑動軸承壽命的主要因素

根據(jù)計算,軸承的基本額定壽命較長,理論可達24.8 年。但是實際工況條件下影響關(guān)節(jié)軸承磨損的因素很多,主要包括速度、載荷、摩擦溫度、環(huán)境以及其他特殊工況條件,這些對關(guān)節(jié)軸承磨損性能有著重大的影響。有研究表明,隨著速度、載荷、摩擦、溫度的增加,工況條件的惡劣都將導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承的磨損加劇,磨損量增大[6]。

船閘輸水系統(tǒng)已投入運行近20 年,反弧門每天運行約60 次,使用時間長且運行頻繁。吊桿自潤滑軸承雖設(shè)置了外、內(nèi)多道水封,首次檢修發(fā)現(xiàn)反弧門吊桿系統(tǒng)中的軸承內(nèi)部密封已經(jīng)不見,表明密封件超過壽命年限后已老化失效；水和泥沙等雜物進入軸和軸承間,改變了軸承工作環(huán)境,這是造成軸承及潤滑材料損傷失效的關(guān)鍵原因之一；反弧門啟閉過程中吊桿因高速水流作用、實際水流上下垂直方向運動卡滯等工況,帶給軸承瞬時高過載,以及啟閉力在谷值時,會導(dǎo)致吊桿及軸承直接受壓和加速磨損；失去密封保護的軸承長期在高速水流、交變載荷工況下很可能導(dǎo)致了內(nèi)外圈相對偏斜,造成了受力的不對稱性,從而使內(nèi)外圈接觸面端出現(xiàn)應(yīng)力集中,有研究表明,當(dāng)內(nèi)外圈相對偏斜角達到1.5°時,其應(yīng)力值最大。應(yīng)力集中的出現(xiàn)可能增大了局部的接觸壓力,加劇自潤滑材料的磨損,造成關(guān)節(jié)軸承的過早失效。此外,檢修發(fā)現(xiàn)的反弧門及其吊桿系統(tǒng)出現(xiàn)吊耳孔變形、聯(lián)門軸與吊耳孔的間隙變大,軸端檔板銹蝕、變形、失效,甚至聯(lián)門軸脫落,導(dǎo)槽磨損等問題,可能也加速了軸承的損傷失效。

5 結(jié)論

通過船閘反弧門啟閉力檢測的方法得到了運行近20 年的反弧門啟閉力曲線,分析了吊桿系統(tǒng)及自潤滑軸承的實際運行工況；結(jié)合軸承理論壽命計算及實際運行工況,對自潤滑軸承失效原因進行了探討分析。免維護球面滑動軸承長期在高速水流條件下頻繁運行,內(nèi)部、外部密封已老化失效,是軸承失效的重要原因；啟閉力幅度大、過載荷、吊桿系統(tǒng)振動等運行工況對軸承的疲勞壽命有著關(guān)鍵影響；鑒于軸承密封件是軸承在惡劣環(huán)境中正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件。建議在今后的檢修工作中進行重點排查,并記錄歷次密封檢查（測）情況,找到可能的密封件失效點或周期,以達到指導(dǎo)運行、維護的目的。