Paweł PŁUCIENNIK, Andrzej MACIEJCZYK RZECZYWISTY OBSZAR ZUśYCIA PANEWKI POPRZECZNEGO ŁOśYSKA ŚLIZGOWEGO Streszczenie W artykule przedstawiono przykłady zuŝycia panewek poprzecznych łoŝysk ślizgowych na podstawie udostępnionych danych z przemysłu. Przeanalizowano dane z wykonanych pomiarów oraz wskazano przykłady i przyczyny powstawania zuŝycia panewek, w wyniku którego nastąpiło wykluczenie łoŝyska z dalszej eksploatacji. Zaprezentowano praktyczne zastosowanie diagnostyki w celu określenia stanu łoŝysk ślizgowych pod kątem oceny zuŝycia panewki. WSTĘP ŁoŜyska ślizgowe znajdują zastosowanie jako podparcie wałów w wielu maszynach i urządzeniach przemysłowych. W większości maszyn występuje konieczność ich częstego uruchomienia i zatrzymywania. Podczas pracy w okresach nieustalonych (rozruch i wybieg maszyny) dochodzi do przedwczesnego zuŝycia panewek łoŝysk. Przyczyną jest występowanie w tych okresach tarcia mieszanego. ZuŜycie powierzchni panewki łoŝyska ma istotny wpływ na poprawną pracę całego urządzenia. W celu zapobiegania zwykle kosztownym awariom i nieplanowanym przestojom maszyn, w przemyśle prowadzony jest monitoring oraz diagnostyka pracy łoŝysk. Z tego teŝ powodu niezmiernie waŝna jest analiza zjawisk zachodzących podczas pracy panewki łoŝyska, zwłaszcza w zakresie zuŝywania się jej powierzchni, zarówno w aspekcie teoretycznym jak i praktycznym. 1. ANALIZA ZUśYCIA PANEWEK POPRZECZNYCH ŁOśYSK ŚLIZGOWYCH NA PODSTAWIE SPRAWOZDAŃ REMONTOWYCH W celu określenia obszaru i głębokości zuŝycia, na podstawie danych pochodzących z przemysłu, przeanalizowano sprawozdania z pomiarów poprzecznych łoŝysk ślizgowych. Przedmiotem badań przedstawionych w sprawozdaniach [1] są poprzeczne łoŝyska ślizgowe o średnicy Ø 300 i długości L = 225mm (L/D=0,75), zamontowane w turbozespole (turbina i generator) typu TC25 o mocy 25-30 MW, ciśnienie i temperatura pary wlotowej 9 MPa, 500 ºC, maksymalna prędkość obrotowa 3000 obr/min. Ciśnienie i temperatura oleju zasilającego p z = 0,06 MPa, T z = 38-40 ºC. Dostawcą turbozespołu była firma Zamech Elbląg, rok pierwszego uruchomienia 1960. ŁoŜyska smarowane są hydrodynamicznie, a filtracja oleju spełnia wymogi normy ISO 4406. Do smarowania łoŝysk stosowany jest olej turbinowy REMIS TU32 o następujących parametrach (wg świadectwa jakości): AUTOBUSY 851
lepkość kinematyczna w 40 ºC 31,7 mm 2 /s, wskaźnik lepkości w 100 i 40 ºC 97, temperatura płynięcia minus 18 ºC, temperatura zapłonu 222 ºC, liczba kwasowa 0,11 mgkoh/g, rozwarstwienie się emulsji olej/woda 90 s, zdolność wydzielania powietrza w temperaturze 50 ºC min. 3, gęstość w temperaturze 20 ºC 0,8668 g/cm 3, gęstość w temperaturze 15 ºC 0,8702 g/cm 3, zawartość antyutleniacza 0,5 %. ŁoŜyska zamontowane są w następnej kolejności licząc od lewej strony turbozespołu: łoŝysko nr 1,2 turbina, łoŝysko nr 3,4 wzbudnica, łoŝysko nr 5,6 generator. Zgodnie z dokumentacją techniczną łoŝysk, zalecane przez konstruktora luzy wynoszą: luz górny 0,3-0,45mm, luz boczny lewy 0,55-0,62, luz boczny prawy 0,55-0,62. Podczas remontów turbozespołów wykonywane są czynności sprawdzające stan poprzecznych łoŝysk ślizgowych. Podstawowy zakres prac remontowych oraz czynności sprawdzających obejmuje: demontaŝ i montaŝ oraz czyszczenie pokryw stojaków łoŝyskowych z ustaleniem naciągu na łoŝyska, wymontowanie wskazanych łoŝysk, przygotowanie łoŝysk do badań przylegania stopu łoŝyskowego, kontrolę przylegania stopu łoŝyskowego, pomiary oraz ustalenie luzów panewek łoŝysk w stosunku do czopa, wymianę panewki lub wylanie stopem łoŝyskowym w przypadku stwierdzenia braku przylegania, montaŝ łoŝysk wraz z ostatecznym ustaleniem luzów łoŝyskowych. Udostępnione przez słuŝby eksploatacyjne i nadzoru sprawozdania z przeprowadzonych remontów turbozespołu obejmują okres od 1997 roku do 2003 roku. W 1997 roku wykonano remont kapitalny turbozespołu, podczas którego wymieniono wszystkie łoŝyska. Wyniki pomierzonych luzów łoŝyskowych przedstawia tabela nr 1. Jak wynika z przedstawionej powyŝej tabeli zuŝywanie się części roboczej panewki (zwiększanie się luzu górnego) na przestrzeni rozpatrywanego okresu, jest bardzo trudne do określenia. Powodem tego jest duŝa częstotliwość wymiany bądź wylewania panewek stopem łoŝyskowym. Okresem moŝliwym do analizowania jest okres trzy i dwuletni, w którym dla łoŝyska nr 1 (lata 1999-2001) oraz nr 5 i 6 (lata 2002-2003) odnotowano powiększenie się luzu górnego o 0,03mm. 852 AUTOBUSY
Tab. 1. Wartości zmierzonych luzów łoŝyskowych Źródło [1] R ok Luz górny 0,35 0,36 Luz boczny 0,45 0,40/0,45 W ym ieniono T ak T ak W ylano R ok N u m er łoŝyska 1 2 3 4 5 6 Luz górny 0,34/0,35 0,40/0,30 0,45/0,32 0,40/0,37 0,29 0,12 Luz boczny 0,30 0,40/0,28 0,30 0,30 0,24/0,16 0,10/0,08 W ym ieniono W ylano T ak T ak R ok Luz górny 0,37/0,35 0,39/0,36 Luz boczny 0,48/0,47 0,45/0,45 W ym ieniono W ylano T ak T ak R ok Luz górny 0,38 0,40 0,40-0,43 0,38 0,10 0,10 Luz boczny 0,40-0,43 0,45 0,47-0,55 0,40 0,10 0,10 W ym ieniono T ak T ak T ak W ylano T ak T ak T ak R ok Luz górny 0,39 0,40 0,36 0,36 0,14 0,15 Luz boczny 0,45/0,47 0,55/0,57 0,52/0,55 0,50/0,50 0,09/0,10 0,08/0,10 W ym ieniono T ak T ak W ylano R ok D an e Luz górny 0,39 0,39 0,38 0,37 0,17 0,18 Luz boczny 0,48/0,49 0,54/0,57 0,60/0,59 0,50/0,52 0,10/0,12 0,10/0,12 W ym ieniono T ak W ylano Z częstotliwości wykonywanych pomiarów luzów łoŝyskowych oraz z uzyskanych informacji wynika, Ŝe niedopuszczanie do nadmiernego zuŝycia (przekroczenia zalecanych przez konstruktora luzów) jest bardzo przestrzegane. W przypadku przekroczenia wartości dopuszczalnego luzu panewka zostaje natychmiast wymieniona. 2. RZECZYWISTY POŁOśENIE OBSZARU ORAZ GŁĘBOKOŚĆ ZUśYCIA POPRZECZNYCH ŁOśYSK ŚLIZGOWYCH Badaniami objęte zostały poprzeczne łoŝyska ślizgowe turbin parowych o mocach 600 MW i wyŝszych po około 10 latach eksploatacji [2]. Celem tych badań było porównanie obszarów i głębokości zuŝycia panewek smarowanych hydrodynamicznie oraz hydrostatycznie. Po lewej stronie fot. 1. przedstawiono zuŝycie panewek łoŝysk smarowanych hydrodynamiczne po 10 latach eksploatacji. Powierzchnie zuŝycia są symetryczne i rozciągają się równomiernie na całej szerokości. Długość obszaru zuŝycia w kierunku obwodowym wynosi od 100-120. Zmierzona maksymalna głębokość zuŝycia jest równa 0,15mm. Po prawej stronie fot. 1. widoczne są obszary zuŝycia panewek łoŝysk smarowanych hydrostatycznie po 9 latach eksploatacji. Powierzchnie zuŝycia są rozłoŝone symetrycznie po obu stronach otworu smarnego, większy obszar zuŝycia widoczny jest na lewo od osi symetrii. Długość obszaru zuŝycia w kierunku obwodowym jest niesymetryczna wynosi od 100-130. Zmierzona maksymalna głębokość zuŝycia jest równa 0,20mm. Pomiary zostały wykonane z dokładnością 0,025mm. 1997 1999 2000 2001 2002 2003 AUTOBUSY 853
Fot. 1. Obszary zuŝycia ycia panewek łoŝysk ło ślizgowych śródło [2] Kolejne zdjęcia przedstawiają przedstawiaj zarówno łoŝyska jak i czopy wałów z widocznymi śladami zuŝycia ycia panewek eksploatowanych przez prz 5-10 10 lat [3], na podstawie których moŝliwe mo jest oszacować połoŝenie enie obszaru zuŝycia. zu Fot. 2. przedstawia panewki o średnicy 300 mm i luzie względnym w granicach 0,0040,004 0,005. Z wykonanych nanych pomiarów wynika, Ŝe zmierzona głębokość zuŝycia Ŝycia nie przekracza 0,5mm. 854 AUTOBUSY
Fot. 2. Obszary zuŝycia panewki łoŝyska ślizgowego śródło [3] Fot. 3. Obszar zuŝycia panewek i czopa łoŝyska ślizgowego śródło [3] Fot. 3, 4, 5, 6 przedstawiają obszary zuŝycia panewek łoŝysk, smarowanych hydrostatycznie, turbin wodnych równieŝ po 5-10 latach eksploatacji [3]. Długość obszaru zuŝycia w kierunku obwodowym wynosi od 95-125. Zmierzona maksymalna głębokość zuŝycia jest równa 0,18 mm. Powierzchnie zuŝycia są symetrycznie rozłoŝone po obu stronach otworu smarowego, większy obszar zuŝycia widoczny jest na lewo od osi symetrii. AUTOBUSY 855
Długość obszaru zuŝycia ycia w kierunku obwodowym obwodowym jest niesymetryczna. Ślady zarysowań panewek i czopów świadcząą o niedostatecznej filtracji oleju. Fot. 4. Obszar zuŝycia ycia panewki i czopa ło łoŝyska ślizgowego śródło [3] Fot. 5. Obszar zuŝycia ycia panewki ło łoŝyska ślizgowego śródło [3] Fot. 6. Ślady zarysowań panewki ło łoŝyska ślizgowego śródło [3] 856 AUTOBUSY
3. PRZYKŁADY ZUśYCIA PANEWEK ŁOśYSKOWYCH WYKLUCZAJĄCE JE Z DALSZEJ EKSPLOATACJI Kolejne przykłady zuŝycia panewek ślizgowych łoŝysk poprzecznych przedstawione na fot. 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 wykonane zostały podczas remontów silników samolotów. Przedstawiają przykłady zuŝycia panewek, w wyniku których następuje wykluczenie łoŝyska z dalszej eksploatacji [4]. Dla porównania, na fot. 7 pokazano panewkę łoŝyska o prawidłowej współpracy wału i czopa. Fot. 7. Przykład prawidłowej współpracy wału korbowego z powierzchnią panewki łoŝyska Fot. 8. Zmęczenie materiału spowodowane zbyt wysokim naciskiem powierzchniowym Fot. 9. Nieprawidłowa współpraca wału z panewką łoŝyska. Ślad zuŝycia świadczy o nieosiowości wału lub łoŝyska AUTOBUSY 857
Fot. 10. Typowy przykład zuŝycia łoŝyska podczas wybiegu lub rozruchu maszyny tarcie mieszane Fot. 11. Uszkodzenie powierzchni roboczej panewki spowodowane zanikiem filmu olejowego Fot. 12. Uszkodzenie powierzchni łoŝyska spowodowane zbyt wysoką temperaturą pracy lub zbyt wysokim naciskiem powierzchniowym 858 AUTOBUSY
Fot. 13. Typowy przykład zuŝycia spowodowany przeciąŝeniem łoŝyska Fot. 14. ZuŜycie spowodowane brakiem przylegania stopu łoŝyskowego lub przeciąŝeniem łoŝyska Fot. 15. Strefa ciemna oznacza brak kontaktu panwi z czopem. Cały kontakt koncentruje się w miejscu zaznaczonym ramką, co moŝe doprowadzić do zuŝycia pokazanego na fot. 14. 4. WYKORZYSTANIE DIAGNOSTYKI DO OKREŚLENIA STANU TECHNICZNEGO ŁOśYSK ŚLIZGOWYCH PoniŜej przedstawiono przykłady wibrodiagnostyki turbozespołów [5]: AUTOBUSY 859
Przypadek 1 turbozespół 125 MW wyposaŝony w układ nadzoru drgań względnych wału oraz odpowiednie oprogramowanie (analizator-rejestrator PAR). Podczas eksploatacji z mocą zbliŝoną do nominalnej wystąpiły następujące symptomy: sumaryczny poziom drgań względnych 131 µm (wysoki), poziom drgań bezwzględnych 0,6-1,2 mm/s (niski). W widmie drgań względnych łoŝyska nr 2 (rys. 1.) odnotowano ślad składowej 0.5X przy dominującej składowej obrotowej 1X. Natomiast w widmie drgań względnych łoŝyska nr 1 (rys.2) dominuje składowa 0.5X. Rys.1. Widmo częstotliwościowe drgań względnych wału w łoŝysku nr 2 śródło [5] Rys.2. Widmo częstotliwościowe drgań względnych wału w łoŝysku nr 1 śródło [5] Zarejestrowane samowzbudne drgania olejowe w łoŝysku wywołane zostały niewłaściwym osiowaniem lub rozosiowaniem podczas eksploatacji turbozespołu. Po otwarciu łoŝyska okazało się, Ŝe został przytarty biały metal panewki, co pokazano na poniŝszej fotografii. 860 AUTOBUSY
Fot. 16. Stan panewki łoŝyska nr 1 śródło [5] Przypadek 2 turbozespół 125 MW wyposaŝono w układ nadzoru drgań względnych wału oraz odpowiednie oprogramowanie (analizator-rejestrator PAR). Podczas rozbiegu maszyny stwierdzono pojawienie się w widmie drgań bezwzględnych stojaka łoŝyska nr 5, przy obrotach 2855 obr/min, składowej 0.5X (2,3 mm/s) rys.3. Składowa ta jeszcze wzrosła przy obrotach 2976 obr/min, po czym zmniejszyła się przy obrotach znamionowych 3000 obr/min do poziomu 1,3 mm/s, przy składowej obrotowej 1X równej 7 mm/s. Jak wynika z poniŝszego rysunku przejście wirnika turbozespołu przez obroty krytyczne, spowodowało powstanie w łoŝysku samowzbudnych drgań olejowych. Rys. 3. Charakterystyka rozbiegowa drgań bezwzględnych łoŝyska nr 5 śródło [5] Po około dwóch miesiącach eksploatacji stan panewek łoŝyska nr 5 wyglądał tak, jak pokazano na poniŝszej fotografii. AUTOBUSY 861
Fot.17. Stan panewki łoŝyska nr 5 śródło [6] Prawdopodobny mechanizm zniszczenia panewek łoŝyska był następujący: wirnik między łoŝyskami nr 4 i 5 (bliŝej łoŝyska nr 5) mógł być niedowaŝony, przy przechodzeniu przez obroty krytyczne nastąpiło przytarcie czopa wału o panewkę, na skutek nieprawidłowego wylania panewki podczas przytarcia nastąpiły pierwsze wyrwania białego metalu, które spowodowały zmianę geometrii styku czop-panewka, początkowe wyrwania białego metalu spowodowały zaburzenia w przepływie oleju między czopem i panewką co zainicjowało powstanie samowzbudnych drgań olejowych, samowzbudne drgania olejowe spowodowały dalsze przycieranie czopa o panewkę, co w efekcie doprowadziło do stanu widocznego na powyŝszej fotografii. PODSUMOWANIE Z punktu widzenia przemysłowych słuŝb remontowych i utrzymania ruchu istotny jest bieŝący monitoring pracy łoŝysk ślizgowych poprzez cykliczne pomiary luzów, bądź analizy widma drgań. Nie określa się, nie analizuje geometrii, połoŝenia obszaru oraz głębokości zuŝycia panewek. Nie analizuje się zjawisk zachodzących podczas pracy łoŝysk. Nie bada się wpływu zuŝycia powierzchni panewki łoŝyska np. na zmiany geometrii filmu olejowego. W praktyce potrzebna jest informacja, która spowoduje zaniechanie, bądź wdroŝenie procedur zatrzymania maszyny i wymiany panewek. Gromadzenie danych odnośnie stanu łoŝysk oraz ich analiza ma zastosowanie przede wszystkim w procesie planowania remontów. MoŜe takŝe stanowić wraz z dokumentacją fotograficzną przedstawiającą formy zuŝycia panewek, nieocenioną pomoc w zakresie diagnozowania usterek pracy maszyn, błędów montaŝu lub błędów konstrukcyjnych. BIBLIOGRAFIA 1. Dane remontowe EC II; Łódź 2. Electric Power Research Institute; Palo Alto. Calif.; USA 3. A&O EXPERT; Gdańsk 4. Sacramento Sky Ranch; USA 5. ZRE Katowice SA 6. Kurowicz M, Łoziński J; Wibrodiagnostyka duŝych maszyn energetycznych; Nadzór i diagnostyka maszyn nr 8/9; Technicad Sp. z o.o. 862 AUTOBUSY
REAL WEAR OF SLIDE JOURNAL BEARING SURFACE Abstract The paper presents examples of use of transverse acetabular bearings based on data available from industry. Analyzed data from measurements made and shown examples and causes of acetabular wear, which resulted in the exclusion of bearings from further exploitation. Presents the practical application of the diagnostic to determine the state of bearings for assessment of acetabular wear. Autorzy: dr inŝ. Paweł PŁUCIENNIK Politechnika Łódzka dr inŝ. Andrzej MACIEJCZYK Politechnika Łódzka AUTOBUSY 863