文| 范學(xué)民，沈陽格瑞德泵業(yè)有限公司
摘要: 除鱗泵是鋼廠除鱗系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，除鱗泵能否長(zhǎng)期、安全的運(yùn)行成為影響鋼鐵表面質(zhì)量和鋼材產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。本文通過鞍鋼除鱗泵在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，主要從軸承體和托架部件、筒體部件、泵軸幾方面進(jìn)行分析，提出幾點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議。
關(guān)鍵詞：除鱗泵 振動(dòng) 強(qiáng)度 斷軸
1. 前言
鞍鋼除鱗泵為國產(chǎn)高壓多級(jí)雙殼體離心泵。該泵主要存在振動(dòng)過大、性能突然下降、斷軸等問題。該泵的水力設(shè)計(jì)和泵的精心安裝、操作與維護(hù)以及現(xiàn)場(chǎng)可能的安全規(guī)則不在本文的討論范圍。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的問題，僅從泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行討論分析，提出幾點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)建議。
除鱗泵流量約為300m3/h～400m3/h，揚(yáng)程約為2500m，間隙除鱗(變頻)。由于該泵存在揚(yáng)程高，轉(zhuǎn)數(shù)頻繁變化，介質(zhì)含固體顆粒等惡劣的使用工況，又因?yàn)槌[泵是鋼廠除鱗系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，所以該泵在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該把克服惡劣的使用工況，保證泵安全穩(wěn)定的運(yùn)行放在首位。
2. 原泵結(jié)構(gòu)
鞍鋼中厚板原用除鱗泵為國內(nèi)某知名水泵廠的產(chǎn)品。如附圖1所示，該泵主要由轉(zhuǎn)子部件、吸入渦室、筒體部件、中段、導(dǎo)葉、平衡機(jī)構(gòu)、后泵蓋、托架、軸封組成。
轉(zhuǎn)子部件是用兩個(gè)徑向軸承部件和推力軸承部件完成徑向支撐和軸向固定，推力軸承部件的扇形塊承受泵的平衡機(jī)構(gòu)沒有完全平衡掉的殘余軸向力。葉輪的吸入口都朝向泵的吸入端，逐級(jí)滑裝在軸上。在末級(jí)導(dǎo)葉和后泵蓋之間裝配可壓縮的纏繞墊組，使后泵蓋能夠可靠地把“泵芯”壓在泵筒體部件內(nèi)。泵兩端軸封采用填料密封。
圖1
3. 現(xiàn)場(chǎng)故障的表現(xiàn)形式與分析以及改進(jìn)方法
該泵出廠時(shí)軸承體振動(dòng)值在4.2mm/s左右。隨著使用與維修次數(shù)的增多，軸承體的振動(dòng)值越來越大，高時(shí)達(dá)到7.5mm/s。過高的振動(dòng)會(huì)增加耐磨環(huán)和轉(zhuǎn)子的磨蝕，降低泵的效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起停機(jī)，付出高昂的代價(jià)。精心的加工，嚴(yán)格的檢查和細(xì)心的安裝可以有效地減小振動(dòng)。但是由設(shè)計(jì)引起的振動(dòng)不容易被發(fā)現(xiàn)和解決。該泵振動(dòng)故障頻譜特征為2倍頻（2X）。產(chǎn)生2倍頻的原因較多，排除轉(zhuǎn)子不對(duì)中、摩擦和部件松動(dòng)等原因，最有可能引起振動(dòng)的原因是軸承[1]。分析原泵結(jié)構(gòu)，托架部件和軸承體部件是該泵的薄弱點(diǎn)，該泵的軸承體和固定軸承體的托架部件均采用了下半圓支撐的形式的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)降低了托架的剛度和軸承體的穩(wěn)定性，存在引起振動(dòng)的隱患。因此在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，要著重加強(qiáng)軸承體和托架部件的剛度。軸承體和托架部件改為整圈設(shè)計(jì)。要盡可能的減少托架部件開孔的數(shù)量和減小開孔的大小。托架部件的開口只需要滿足完成機(jī)封鎖緊功能和接管功能，應(yīng)該最大限度的增大托架部件的剛度。改進(jìn)后的托架部件（密封函體）如附圖2。
在相同的邊界條件下，通過simulation分析得出：設(shè)計(jì)改進(jìn)后托架的最大應(yīng)力為原泵0.63倍，設(shè)計(jì)改進(jìn)后托架的最大位移僅為原泵0.18倍。如附圖3所示；
該除鱗泵在鞍鋼現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，出現(xiàn)壓力突然下降的現(xiàn)象，已經(jīng)無法達(dá)到中、厚板的除鱗要求，被迫停泵檢修。拆解檢查該泵發(fā)現(xiàn)，葉輪和導(dǎo)葉流道無明顯缺陷，導(dǎo)葉和中段密封面完好無損。定子密封環(huán)和轉(zhuǎn)子密封環(huán)間隙在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。但在檢查筒體部件時(shí)發(fā)現(xiàn)，在泵的吸入口與吸入渦室外徑處（附圖4 R1處）有貫通孔，出現(xiàn)了打“回流”的現(xiàn)象。
圖4
經(jīng)分析，該處壓差最大，需要有足夠的強(qiáng)度，而原泵設(shè)計(jì)沒有引起足夠的重視，也沒有采取相應(yīng)的措施，導(dǎo)致該處被擊穿，出現(xiàn)貫通孔。由于鞍鋼現(xiàn)場(chǎng)管道施工困難，導(dǎo)致無法采用偏移吸入口來增加該處厚度的措施。因此，只能在不更改現(xiàn)場(chǎng)安裝尺寸的前提下做一些設(shè)計(jì)改進(jìn)。分析泵筒體部件的原設(shè)計(jì)，可以從以下幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)：（1）增加筒體部件承受壓差部位的厚度。滿足安裝要求的同時(shí)減小吸入渦室法蘭厚度，更改首級(jí)中段和首級(jí)導(dǎo)葉的軸向尺寸。使筒體部件承受壓差部位的厚度由原來的28mm增加到43mm，達(dá)到增強(qiáng)筒體部件承受壓差部位強(qiáng)度的目的。（2）更改筒體部件應(yīng)力集中點(diǎn)。筒體部件承受壓差部位圓弧R1不足以滿足減小應(yīng)力集中的需求。加大圓?。◤较蚝拖蛲鲁隹诜较颍┩耆挥绊懲搀w部件的強(qiáng)度，如附圖5所示。這種改進(jìn)經(jīng)過有限元分析發(fā)現(xiàn)有效的減小了應(yīng)力奇異點(diǎn)【2】，增強(qiáng)應(yīng)力集中點(diǎn)位置的耐壓能力。
（3）增加入口加強(qiáng)筋板。為了減小筒體部件承受壓差部位的變形，不影響流量的情況下，在筒體部件吸入口位置（低壓側(cè)）焊接一個(gè)20mm厚的入口加強(qiáng)筋板，加強(qiáng)筋板焊前應(yīng)加工出焊接坡口，焊后要求對(duì)焊縫進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，保證加強(qiáng)筋板牢固的同時(shí)，減小筒體部件薄弱點(diǎn)的變形。原泵軸斷裂主要集中在首級(jí)葉輪軸肩處。原泵軸葉輪處軸徑為110mm,兩軸承支撐點(diǎn)之間的跨距為2573mm,長(zhǎng)徑比約為23.39。該值大于20的經(jīng)驗(yàn)值[3]，證明該泵的轉(zhuǎn)子剛度不足夠。如圖1所示，原泵葉輪采用“串糖葫蘆”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，后一級(jí)葉輪依靠前一級(jí)葉輪定位，這樣，所有葉輪產(chǎn)生的軸向力均作用在首級(jí)葉輪軸肩處。因此原泵在首級(jí)葉輪軸肩處出現(xiàn)了泵軸斷裂的現(xiàn)象。經(jīng)分析，改進(jìn)設(shè)計(jì)從以下幾方面進(jìn)行：（1）在水力尺寸允許且滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝的要求下，將葉輪處軸徑提升至￠125mm, 軸承支撐點(diǎn)之間的跨距縮短到2450mm，長(zhǎng)徑比約為19.6，略小于20的經(jīng)驗(yàn)值。（2）將葉輪的固定方式改為“逐級(jí)單獨(dú)定位”，每個(gè)葉輪通過級(jí)間卡環(huán)獨(dú)立的固定在軸上，減小首級(jí)葉輪軸肩處的受力。但應(yīng)注意，合金鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感度高，級(jí)間卡環(huán)槽和分半卡環(huán)槽處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中和疲勞失效，如果此位置圓弧小，就會(huì)形成很高的局部應(yīng)力集中，存在泵軸斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。要盡可能的加大此位置的圓角。如附圖6。
（3）選用更高強(qiáng)度的泵軸材料。17-4PH（ZG0Cr17Ni4CuNb）是一種典型的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，該材料含鎳量低，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度高于室溫，經(jīng)馬氏體轉(zhuǎn)變后，再經(jīng)480～620℃時(shí)效處理，使強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。在400℃以下有良好的高溫力學(xué)性能。各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于3Cr13,更適合作為除鱗泵上傳遞大扭矩的泵軸使用。兩者力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。
（4）更改葉輪鍵槽的布置形式。實(shí)踐證明，相鄰兩葉輪的鍵槽180°對(duì)稱布置很容易在鍵槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中。將相鄰兩葉輪的鍵槽改為120°布置，使泵軸受力更均勻。除鱗泵作為除鱗系統(tǒng)的重要設(shè)備，是影響鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量的最關(guān)鍵因素，以及該泵頻繁升降速的工況要求除鱗泵的設(shè)計(jì)必須具備比其它大型高壓泵更高的安全系數(shù)。本文只是從鞍鋼現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問題零部件的設(shè)計(jì)提出了幾點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)建議，該泵其他零部件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證也是必不可少的。隨著科技的發(fā)展，CFD也應(yīng)成為設(shè)計(jì)驗(yàn)證和確認(rèn)的可靠手段，從設(shè)計(jì)角度最大限度的減小引起現(xiàn)場(chǎng)故障的可能。除鱗泵的制造、安裝和維護(hù)同樣重要，只有保證做好各個(gè)環(huán)節(jié)，才能保證除鱗泵長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，為鋼廠中、厚鋼板的產(chǎn)量和質(zhì)量提供有力的保障。[1] 楊紹宇,劉曉鋒,童小忠,陸頌元 大型鍋爐高能給水泵振動(dòng)故障分析與診斷方法[J]. 汽輪機(jī)技術(shù),2006,6
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