推力轴承知识及故障诊断

推力轴承知识总结
一．推力轴承介绍及分类：
推力轴承用于承担转子或轴的轴向力，调节轴向间隙，从而保证动静件之间的轴向间隙在合理范围之内，常常用的推力轴承又包含两大类，滚动推力轴承与滑动推力轴承。

滚动推力轴承包含角接触轴承与滚柱轴承等，这里不再进行详细介绍，感兴趣的朋友可以参考之前的文章。

如何选择使用滚动轴承与滑动轴承，涉及到维护性，使用寿命，能否承受冲击载荷等。

图1 滚柱推力轴承图2 滑动推力轴承
滑动止推轴承包含固定块式与活动块式，常见的推力轴承瓦块个数为6，7，8，11，14，16
等，可用于轴径范围从20毫米到1000毫米，载荷范围从0.5到500吨。

1)固定块式轴承承载能力强，价格便宜，常用于大型旋转设备，但对安装条件要求苛刻，安
装时必须避免转子的对中偏斜。

固定块式轴承轴瓦有一定的楔角，同时固定瓦块轴承有进油槽，用于油膜的形成。

图3&4 固定瓦块式推力轴承
2)活动块式主要分两类，一类式米歇尔轴承，一类式金斯伯雷轴承：-
每个轴承由一系列瓦块组成，支撑在一个承载环（保持器）中。

每个轴瓦都可以自由倾斜，从而形成一个自我形成的流体动力膜。

自我平衡的设计平衡了各瓦块之间的负荷，并适应了轴承和套圈之间的错位或偏移。

承载环可以是一体的，也可以是两半的，瓦块的大小和数量可以根据工作条件来选择。

此外，轴瓦可以提供用于双向运行的中心支点或用于增加负载能力和降低轴瓦温度的偏移支点。

图5&6米契尔止推轴承及部件
米契尔式轴承由基环与止推瓦块组成，对变动载荷的适应能力较强，但是载荷不是均匀的分布再每块瓦块上，瓦块与基环为线接触，调节能力差，容易造成成了止推轴承瓦块磨损不均。

图7&8 金斯伯雷止推轴承及部件
金斯伯雷轴承克服了米式轴承缺点，其优点在于载荷分布均匀，瓦块与上水准块为点接触，调节灵活，能补偿转子的不对中偏斜。

金斯伯雷轴承是层叠式自动平衡推力的轴承，是由若干个止推块组成，止推块下垫有上水准块，下水准快与基环，相当于三层零件叠放再基环上，止推块与水准块之间通过球面支点接触。

其工作原理是：-当各个止推块载荷不同时，就会引起轴承的不平衡，因止推块受力不均就要偏转，此时可通过上下
搭接的水准块，自动调节每个止推块的载荷，直到每个止推块上的载荷相同，轴承重新建立平衡为止。

即再转轴有较大的挠度及支点转角的情况下，各瓦块位置能随之平衡而产生均匀的油膜压力。

几点理论知识：-
1)推力轴承的工作方式，推力轴承用于承受轴向力，轴承与轴肩避免接触，需有润滑油形成
油膜（注意油膜形成的三个条件—油粘度，油契角，相对转速）。

油楔角的形成可以有两种方式，对与固定瓦轴承，瓦块接触面会人为加工楔角。

2)轴向载荷（可通过载荷性能曲线选），轴转速，油粘度，轴径决定了推力轴承的尺寸（考
虑能量损伤曲线，温度线及油量曲线），一般会留有20%的设计余量。

图9&10&11不同尺寸轴承额定载荷，油量，能力损伤与转速的关系；图12轴端窜量与轴承尺寸关系
3)对于非固定瓦轴承，轴瓦表面平整，靠自身倾斜与旋转枢纽形成油楔角；对于止推轴承瓦
块，表面的巴氏合金厚度必须小于压缩机动、静部分的最小轴向间隙，其原因是：一旦巴氏合金熔化，止推盘尚有瓦块的钢质部分支承着，短时间内不致引起压缩机动、静部分碰摩，酿成更大事故。

另外巴氏合金的厚度不宜过厚，巴氏合金愈厚，对于疲劳愈敏感，容易发生疲劳破坏。

图13&14 油膜形成路径及油压分布图
图15 从左向右依次为固定式，米契尔式，金斯伯雷式推力瓦块油膜及受力形态
4)推力轴承温度的影响因素，推力轴承的温度受轴向力，油温，油压等因素影响，对其进行
仿真模拟，可以得出每块轴瓦油膜厚度，油膜压力以及温度的分布。

图16 固定式推力轴承模拟仿真
5)常见的推力轴承润滑方式有两种，一种是浸泡润滑，一种是主动润滑。

图17 浸泡润滑图18主动润滑
a)浸泡润滑是在轴承箱中加一定液位的润滑油，将推力轴承的下半部位浸泡，轴旋转时轴肩
带动油进入推力面中，大型设备常采用增加甩油环；浸泡润滑轴承箱油压常维持在0.7-1公斤，油冷却可以采取内部放置冷却水管或采取冷油进热油出的方式，浸泡润滑方式简单但存在高速运行时由于油紊流能量损失大的问题。

b)主动润滑指的是为推力轴承通过油管/通道提供1.4公斤的润滑油，润滑油自承载盘底部
槽口进入轴承内腔，通过瓦块间的空隙和止推盘旋转带入止推瓦块承压面，并由离心力将油带至外周围，再经控油环上部的排油孔流到轴承体外排出。

常见的油进入推力轴承路径如下：
图19 典型的推力轴承油路径图
6）为了降低推力轴承温度，可以考虑使用散热效果更好的轴承：-
LEG推力轴承将冷油直接供应到推力轴承油膜处，避免了和热油的交汇，从而极大的降低了推力轴承温度。

图20&21 节流推力轴承
带有铜基与钢基组合的巴氏合金推力轴瓦（左）和带有固体聚合物推力轴瓦与聚合物内衬轴颈垫的组合式可倾推力轴承（右）。

图22 铜基推力轴承图23 负荷推力轴承
7）推力轴承温度监控：-
一般会在推力轴承下半部分两个瓦块上分别安装一个温度探头，两个探头相隔至少120度，探头位置在瓦块出油侧10-20度位置，最大运行轴承温度不超过115度，可以以正常运行温度值加8度作为报警值，禁止轴承温度超130度。

探头安装遵循75/75原则，即探头插入点位于沿旋转方向75%长度位置，插入深度为沿径向75%长度位置，如图21所示。

为了准确测到巴氏合金的真实温度同时又要避免对巴氏合金结构强度的影响，确保探头的位置距离巴氏合金层的最小距离为0.8mm。

必须使用合适的卡子对温度探头进行固定，避免探头松动导致测量温度不准。

图24 温度探头布局图25 API670 标准关于推力轴承温度监控的规定
二．推力轴承常见问题及预防措施：-
a)轴瓦擦伤（abrasion）--由于油不干净导致较大颗粒杂质进入油膜中。

措施：-项目前期做好油系统的冲洗工作，运行过程中使用精度等级更高油滤；调整合适的油箱真空度，避免粉尘被吸入；大修时严格控制现场卫生并做好现场清理，避免油污染。

b)锡氧化物损坏（Tin oxide damage）---往往看到瓦块表面变色，常常由于电腐蚀导致。

轴承电腐蚀：-由于推力轴承油膜间隙很小（30-100um），更容易使静电在此位置释放。

措施：一方面查清静电来源，确保接地与静电消除碳刷/电刷正常工作，另一方面考虑增加额外的碳刷或碳刷。

c)过热结焦（overheating）--常常由于不正确的油选择，过载荷，超速等导致。

措施：-轴承结焦，轴承温度高可以考虑对轴瓦进出油侧进行倒角，增加喷油嘴直径；增大进油压力；改轴瓦支撑为偏心瓦块。

d)疲劳（fatigue）--常常由于存在交变载荷—不对中，不平衡，轴承偏心等。

措施：-调整工艺负荷，做好对中与平衡。

图26 轴瓦擦伤图27 轴承过热结焦
图28 轴承电腐蚀图29 轴承疲劳损伤
e)轴承磨损：-
✓轴承安装不符合要求，例如止推轴承的轴承座歪斜，会使止推轴承瓦块负荷不均，承载的瓦块温度会升高，将大大减少轴承的承载能力，很可能引起止推轴承的损坏。

✓轴瓦的巴氏合金浇铸质量不合格，巴氏合金可能有脱落、裂纹、砂眼的缺陷，含有铁屑、沙粒等杂质。

✓轴承结构不合理，轴瓦处于超负荷运行，轴瓦和轴承无法形成液体摩擦。

✓压缩机平衡盘密封、级间密封齿损坏或隔板漏气，使转子轴向受力增大，止推轴承负荷增加。

✓止推轴承设计的承载面积过小、压缩机超压、轮盖密封、段间密封或级间密封损坏，产生过大轴向力，将使瓦块磨损或烧熔----曾经在一个现场，膨胀机因为平衡管脱开导致轴向力增大，止推轴承瞬间磨损烧坏；
f)供油问题导致轴承温度高和振动高：-
✓润滑油供量不足或中断，将引起轴颈与轴承摩擦、烧熔甚至抱轴等事故；
✓油箱空气滤清器或供油系统滤网破损，轴承供油不清洁，造成油孔堵塞、轴承磨损；
✓油冷却器效果变坏、进油温度高、油的黏度下降、轴承变形、引起转子振动、擦伤轴承；
✓供油压力过低，不能建立正常油膜；
✓润滑油带水，破坏油膜，腐蚀轴颈和轴承。

这些问题引起轴承损坏；
✓油品质变差，导致轴承温度高。

（最直接的现象是看到轴承和油系统管件出现大量的油泥）
三．推力轴承维修
1.注意事项：-
1）拆检推力轴承时，一定要注意不要破坏第一现场，不要上来就做清洁工作，例如基环往往遗留油有无焦化，乳化痕迹；上水准块与支撑点的接触深度显示各轴瓦的受载荷情况。

2）对于有旋转方向要求的推力轴承(瓦块支撑点不在瓦块中间)，一定要注意安装方向；
图30双向与单向轴瓦
3）有些设计主推与副推轴承会有差异（瓦块个数，巴士合金厚度等），注意别弄混了；
4）米契尔推力轴承，尤其固定瓦轴承，一定要注意轴承的平面度，避免高点的存在，各瓦块的厚度差小于0.02mm；
5）推力轴承的温度探头安装要求，确保探头深度足够，没有滑脱的风险，另一定要避免温度线远离旋转部件，避免接触摩擦损坏。

6）对推力的检查，常规检查项目：-推力间隙，各瓦块厚度，着色探伤检查，推力盘平面度光洁度检查（可以使用蓝油或红丹在平台上进行接触检查确认，接触面积大于80%为
佳），各部件包含上下水准块，基环，支撑体等有无磨损。

图31 推力轴瓦厚度检测
7）在某些情况下，若油品质很差，可以通过进行油样分享，增加新油去除旧油，增加油温等方法来进行改善。

8）对于某些推力盘与转子组合式的结构，一定要检测推力盘与转子的安装位置是否到位，垂直度是否在设计范围之内；同时检查推力盘有无损伤，光洁度在要求范围之内(表面微观不平度十点高度Rzs<=4um。

9）
2.轴承修复：-
若推力轴承巴氏合金损伤：-
1）可以考虑移除所有的巴氏合金后进行重新浇筑，需避免浇筑时产生气泡，同时使用超声波对接合面进行检查，确认接合面接触良好。

2）若表面只有轻微刮伤，可以考虑移除一层巴氏合金，同时瓦备增加垫子进行调整。

一般巴氏合金的厚度在1-2mm左右，移除0.1-0.15mm的巴氏合金对其使用寿命，强度与运行温度没有大的影响（此方法仅适用于可活动瓦块，对本身具有楔角的固定瓦块不适用）。

3）在对轴瓦进行倒角时，一定要注意尺寸的控制，可以通过DeRobes专业软件进行验证尺寸变化对轴承承压，温度的变化。

四．案例分析:-
1) 某工厂增压机使用汽轮机驱动，二者之间采用齿式联轴器，汽轮机通过联轴器驱动增压机驱动轴，驱动轴驱动大齿轮，大齿轮驱动三根带有6级的叶轮转子，结构形式如下图所示。

自2019年3月份以来发现大齿轮推力轴承温度持续升高，主推力瓦轴承最高温度由最初的73度逐步升高到107度，在此过程中伴随轴向位移的变化，变化量为0.06--0.10mm。

该压缩机大齿轮轴承采用锥面推力轴承。

图32压缩机结构图图33 压缩机大齿轮推力轴承示意图
图34 压缩机大齿轮振动与轴向位移关系图
团队做故障诊断分析，最后找出两个最大的可能性原因，一是齿轮箱变形；二是推力轴承发生了静电腐蚀，在四月份的时候，团队利用停车窗口做了计划性检查。

检查发现大齿轮推力轴承发生了电腐蚀，破坏了油膜，进而导致了大齿轮的磨损，静电腐蚀为主要原因。

图35&36 压缩机大齿轮推力轴承检查
团队更换了轴承，同时考虑到虽然汽轮机本身有静电碳刷且日常维护良好，但由于轴系太长接地网较差，系统中仍然可能有静电没有被及时的导走，在间隙最小处释放，故而团队在增压机与汽轮机的联轴器上又安装了电刷，设备开起来后大齿轮振动与温度正常，设备运行良好。

2）某厂有一台GE离心式压缩机，在2019年3月到11月期间，其轴向位移逐渐向主推方向移动，以至于达到报警值。

如下图所示：-
图37 压缩机轴向位移趋势图
团队查看了工艺运行参数—压力，温度，流量，油温油压以及油品质等，均未发现异常与相关性；更奇特的时轴承温度也没发现有异常与相关性（团队测量了两个温度探头排除仪表不准的可能），排除了静电腐蚀，壳体变形等带来的推力轴瓦磨损的可能。

推测可能的原因是轴承瓦背磨损或轴向位移探头测量点偏移等，在正常检修期间，团队打开轴承进行检查，发现轴承瓦背旋转中心点及接触部位因长期运行磨损，如下图所示。

图38 推力轴瓦瓦背旋转枢纽新旧对比图
该案例给我们的提示是任何变化异常都是有原因的，在检修的排查过程中，一定要对该检查的项目做好计划，做好执行，做好跟踪，做好反馈，做好下一步计划，形成做事的闭环。

【1】API670 vibration, axial position and bearing temperature monitoring system；
【2】Equalizing thrust bearings comprehensive design guide-----Kingsbury, Inc;
【3】Friction and Lubrication of Large Tilting-Pad Thrust Bearings----Michal Wasilczuk
【4】 A General Guide To The Principles, Operation And Troubleshooting of Hydrodynamic Bearings---Kingsbury, Inc;
【5】Design Considerations For Thrust Bearing Applications---James H.Ball
【6】机械设计师手册---吴宗泽主编
<完>。