通過兩種大型長(zhǎng)軸混流泵結(jié)構(gòu)對(duì)比分析關(guān)鍵零部件損壞的原因

朱文軍，道 華，劉福榮，岑少奇

（寧夏紅寺堡揚(yáng)水管理處，寧夏 中寧 755100）

通過兩種大型長(zhǎng)軸混流泵結(jié)構(gòu)對(duì)比分析關(guān)鍵零部件損壞的原因

朱文軍，道 華，劉福榮，岑少奇

（寧夏紅寺堡揚(yáng)水管理處，寧夏 中寧 755100）

寧夏紅寺堡揚(yáng)水工程黃河泵站安裝A、B兩種類型的大型長(zhǎng)軸立式混流泵，流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、軸功率、汽蝕余量等技術(shù)參數(shù)基本相同，但兩種類型泵的振動(dòng)、內(nèi)體零部件壽命存在明顯區(qū)別。其中，B型泵的內(nèi)體零部件極易損壞，使用壽命不及A型泵的1/3，且維修費(fèi)用高昂。針對(duì)這種情況，將通過兩種泵的結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，探尋B型長(zhǎng)軸混流泵內(nèi)體關(guān)鍵零部件磨損和損壞的原因。

長(zhǎng)軸；混流泵；結(jié)構(gòu)；零部件；損壞；振動(dòng)

寧夏紅寺堡揚(yáng)水工程黃河泵站建成于2001年，位于寧夏中寧境內(nèi)，處于黃河上游與清水河交匯處。由于黃河水系河流流經(jīng)黃土高原，攜帶大量泥沙，加上清水河在同心縣以下地區(qū)，因下切到黃土以下紅色巖層，攜帶大量泥沙匯入黃河，形成高含沙水源，主要成份為石英、方解石、長(zhǎng)石等高硬度硅酸鹽。寧夏南部山區(qū)灌溉用水取水泵站多在此取水，由于特殊地理位置形成高含沙水流，對(duì)水泵的要求極高，此前建成的泉眼山水源泵站采用立式離心泵，由于葉輪和泵殼等關(guān)鍵零部件磨蝕嚴(yán)重，使用壽命短，維修困難，且離心泵上水量小，能耗高，故而黃河泵站在設(shè)計(jì)選型時(shí)，采用了大流量的立式混流泵設(shè)計(jì)。根據(jù)以往運(yùn)行情況，結(jié)合高泥沙水流的特殊性，探索性的選取了兩個(gè)廠家技術(shù)參數(shù)相同的兩種泵型（以下簡(jiǎn)稱A型泵和B型泵），經(jīng)過多年運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)兩種泵的運(yùn)行狀況（水泵振動(dòng)等）、關(guān)鍵零部件的使用壽命明顯不同。為了探明B型泵關(guān)鍵零部件磨損、損壞的原因，現(xiàn)通過A型泵和B型泵的結(jié)構(gòu)對(duì)比，分析發(fā)生問題的原因。

1　泵的基本情況

1.1泵的基本參數(shù)

黃河泵站共安裝混流泵機(jī)組7組，至今已運(yùn)行13年，2014年上水量10 799萬m3。其中，A型混流泵3臺(tái)，機(jī)組編號(hào)為1#、2#、3#，B型混流泵4臺(tái)，泵編號(hào)為4#、5#、6#、7#。兩種類型泵基本參數(shù)相同：流量5.75 m3/s，揚(yáng)程22 m，轉(zhuǎn)速495 r/min，配用電機(jī)功率為1 600 kW。

1.2泵的運(yùn)行情況

目前，3臺(tái)A型泵均運(yùn)行平穩(wěn)，無大修經(jīng)歷，4臺(tái)B型泵均已出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)，其中3臺(tái)已進(jìn)行了解體大修。根據(jù)運(yùn)行記錄統(tǒng)計(jì)，A型泵目前最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)數(shù)6 616.6小時(shí)（見表1），B型泵首次大修前最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)數(shù)3 640.8小時(shí)，最短運(yùn)行時(shí)數(shù)1 179.8小時(shí)，而6#泵大修后運(yùn)行2 300小時(shí)，又出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)，無法運(yùn)行。由此可見，A型泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)數(shù)是長(zhǎng)沙泵首次解體大修前運(yùn)行時(shí)數(shù)的2～5倍以上。

1.3泵的磨損及損壞情況

通過解體大修發(fā)現(xiàn)，B型泵可抽出內(nèi)體零部件的磨損、彎曲失效是導(dǎo)致水泵振動(dòng)嚴(yán)重的直接因素，以內(nèi)體中下部零部件磨損最為嚴(yán)重，主要是：泵軸彎曲與磨損、內(nèi)接管變形與磨損、導(dǎo)葉體磨損、導(dǎo)軸承磨損、葉輪與葉輪室摩擦損壞等。其中，主軸最大彎曲量2.6 mm、單邊磨損量0.8 mm，軸套最大單邊磨損量5 mm以上（見圖1），導(dǎo)軸承（賽龍軸承）內(nèi)徑最大單邊磨損量6.9 mm（見圖2），葉輪外徑最大單邊磨損量30 mm以上，導(dǎo)葉體安裝導(dǎo)軸承部位最大單邊磨損量0.8 mm，內(nèi)接管法蘭聯(lián)接處發(fā)生螺栓剪斷。另外，在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉體與外接管之間會(huì)堆積大量泥沙，造成內(nèi)體部件無法抽出，檢修十分困難。

表1　A型泵和B型泵運(yùn)行時(shí)數(shù)

圖1　磨損的軸套

圖2　磨損的導(dǎo)軸承

在B型泵的大修中，導(dǎo)葉體、內(nèi)接管等部件通過補(bǔ)焊、車削修復(fù)（見圖3、圖4），其他失效零部件則需要更換，僅配件費(fèi)用需花費(fèi)50多萬元。

圖3　導(dǎo)葉體磨損修復(fù)

圖4　內(nèi)接管變形及磨損修復(fù)

2　兩種泵的結(jié)構(gòu)對(duì)比

A型泵（見圖5）和B型泵（見圖6）均為單層基礎(chǔ)，整體結(jié)構(gòu)較為相似，固定部分由外接管、吐出彎管、吸入喇叭口、泵支撐板、電機(jī)支座等組成，可抽出內(nèi)體由導(dǎo)葉體、葉輪、主軸、導(dǎo)軸承、內(nèi)接管、導(dǎo)流體、套筒聯(lián)軸器、填料函體等組成。其中，上、下主軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，導(dǎo)軸承裝在軸承支架內(nèi)，導(dǎo)葉體與葉輪室、內(nèi)接管、軸承支架等通過定位止口配合并用螺栓聯(lián)接，整個(gè)內(nèi)體通過葉輪室下部錐面與吸入喇叭口或下部外接管上的錐面配合進(jìn)行定位。導(dǎo)軸承的潤(rùn)滑方式為：加壓水通過填料函體進(jìn)入內(nèi)接管從導(dǎo)葉體下部流出。

圖5　A型泵結(jié)構(gòu)總圖

圖6　B型泵結(jié)構(gòu)總圖

為了探明B型泵內(nèi)體零部件過早磨損及損壞的原因，結(jié)合兩種類型泵的運(yùn)行情況和B型泵的大修情況，主要從兩種泵的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而分析B型泵關(guān)鍵零部件磨損及損壞的原因。

2.1內(nèi)接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異

A型泵內(nèi)接管總共4截，3個(gè)直管1個(gè)錐管，總長(zhǎng)約為6 800 mm，直管直徑約為500 mm，錐管與導(dǎo)葉體連接處直徑約為900 mm（見圖7），B型泵內(nèi)接管總共2截，總長(zhǎng)約為5 900 mm，直徑約為300 mm（見圖8）。A型泵內(nèi)接管法蘭聯(lián)接處設(shè)有加強(qiáng)筋，B型泵沒有。

下部導(dǎo)軸承部位（安裝在導(dǎo)葉體軸承支架內(nèi)）是承受主軸擺動(dòng)沖擊最大的部位，導(dǎo)軸承受力后傳遞到導(dǎo)葉體，導(dǎo)葉體再把力傳遞到與之聯(lián)接的內(nèi)接管底部，這是內(nèi)接管受力和發(fā)生變形最大的部位。為了提高內(nèi)接管特別是受力最大部位的強(qiáng)度和抗變形能力，A型泵設(shè)計(jì)了錐形內(nèi)接管，與導(dǎo)葉體法蘭聯(lián)接處管徑達(dá)到了900 mm，并設(shè)有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)該部位的強(qiáng)度和剛度。另外，A型泵直管直徑為500 mm，單個(gè)內(nèi)接管較短，強(qiáng)度和剛度大。而B型泵內(nèi)接管由于直徑只有300 mm，單個(gè)內(nèi)接管更長(zhǎng)，自身強(qiáng)度和剛度相對(duì)較差，且內(nèi)接管受力最大部位并沒有設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，內(nèi)接管與導(dǎo)葉體聯(lián)接法蘭處由于直徑小，聯(lián)接螺栓數(shù)目更少，承受主軸擺動(dòng)沖擊的能力較低，易造成原泵存在螺栓剪斷、內(nèi)接管變形和磨損的情況。

圖7　A型泵內(nèi)接管

圖8　B型泵內(nèi)接管

2.2導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異

A型泵導(dǎo)葉體加葉輪室總高度約1 400 mm，即內(nèi)接管與導(dǎo)葉體聯(lián)接處相對(duì)葉輪室上的定位錐面的高度只有1 400 mm，而B型泵導(dǎo)葉體加葉輪室總高度超過2 300 mm，即內(nèi)接管與導(dǎo)葉體聯(lián)接處相對(duì)葉輪室定位錐面的高度超過了2 300 mm，高度越高，穩(wěn)定性相對(duì)越差，在主軸擺動(dòng)的沖擊力作用下，產(chǎn)生的位移或變形量就越大，這也是造成原泵存在螺栓剪斷、內(nèi)接管變形和磨損的原因。

A型泵導(dǎo)葉體兩側(cè)流道采用直線型結(jié)構(gòu)，而B型泵采用入口到出口流道逐漸變寬的漸變型結(jié)構(gòu)，使聯(lián)接內(nèi)接管處的法蘭直徑更小，螺栓聯(lián)接數(shù)目少，不利于承受主軸擺動(dòng)的沖擊。另外，B型泵導(dǎo)葉體外體采用不規(guī)則曲線設(shè)計(jì)，中部直徑小，下部和上部直徑大，導(dǎo)葉體與外筒體之間堆積泥沙后，造成抽芯十分困難。為此，在內(nèi)體整體抽芯時(shí)曾用天車起吊、噴燈烘烤外接管（外接管與導(dǎo)葉體之間泥沙堆積處）、千斤頂在下主軸底部加力相結(jié)合的辦法才將內(nèi)體抽出，耗費(fèi)大量人力、物力。

2.3導(dǎo)軸承支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異

A型泵設(shè)計(jì)有獨(dú)立的導(dǎo)軸承支架，與內(nèi)接管或?qū)~體用螺栓聯(lián)接（見圖9），并有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軸承安裝在導(dǎo)軸承支架內(nèi)用另一組螺栓聯(lián)接；而B型泵沒有設(shè)計(jì)獨(dú)立的導(dǎo)軸承支架，導(dǎo)軸承直接安裝在內(nèi)接管（見圖10）或?qū)~體內(nèi)，內(nèi)接管沒有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，上下內(nèi)接管及導(dǎo)軸承共同用一組螺栓聯(lián)接，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。由于B型泵內(nèi)接管直徑小，且無加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，強(qiáng)度和剛度較A型泵明顯偏弱，抵抗主軸擺動(dòng)沖擊的能力不足，易產(chǎn)生較大變形，這也是造成原泵存在內(nèi)接管變形、重要配合面磨損的原因。

圖9　A型泵設(shè)計(jì)有獨(dú)立的導(dǎo)軸承支架

圖10　B型泵導(dǎo)軸承安裝在內(nèi)接管內(nèi)

2.4上部?jī)?nèi)接管與填料函體聯(lián)接形式差異

A型泵上部?jī)?nèi)接管與泵蓋板定位配合（見圖11），填料函體與內(nèi)接管采用止口定位配合，并用螺栓聯(lián)接，同時(shí)填料函體與泵蓋板用螺栓聯(lián)接。B型泵的填料函體與泵蓋板定位配合，用螺栓聯(lián)接（見圖12），上部?jī)?nèi)接管與填料函體采用承插式配合進(jìn)行定位，兩者無螺栓聯(lián)接。由于B型泵填料函體與內(nèi)接管的配合為間隙配合，加上沒有采用螺栓聯(lián)接固定，細(xì)微砂礫進(jìn)入配合間隙后，在主軸擺動(dòng)沖擊力的作用下，加劇了兩者配合面的磨損，間隙變大，進(jìn)一步使內(nèi)接管擺動(dòng)幅度更大，加劇了內(nèi)接管的變形。

圖11　A型泵填料函體與內(nèi)接管的聯(lián)接形式

圖12　B型泵填料函體與內(nèi)接管的聯(lián)接形式

另外，由于配合間隙的增大，會(huì)造成從填料函體進(jìn)入內(nèi)接管對(duì)導(dǎo)軸承潤(rùn)滑的高壓水流流失，加上從配合間隙進(jìn)入內(nèi)接管的高硬度泥沙，導(dǎo)軸承潤(rùn)滑條件惡化，加劇了導(dǎo)軸承的磨損，使主軸擺動(dòng)幅度更大，內(nèi)體部件承受的沖擊力更大，這也是導(dǎo)致關(guān)鍵零部件變形、磨損及聯(lián)接內(nèi)接管的法蘭螺栓剪斷的原因。

2.5支撐泵軸系的導(dǎo)軸承布置及主軸聯(lián)接形式差異

A型泵下主軸由兩個(gè)導(dǎo)軸承支撐，一個(gè)設(shè)在導(dǎo)葉體上的軸承支架內(nèi)，一個(gè)設(shè)在下主軸上端聯(lián)接兩個(gè)內(nèi)接管的軸承支架內(nèi)，上主軸由填料函體內(nèi)的填料支撐；B型泵的下主軸由三個(gè)導(dǎo)軸承支撐，兩個(gè)設(shè)在導(dǎo)葉體內(nèi)，一個(gè)設(shè)在下內(nèi)接管內(nèi)，上主軸由設(shè)在填料函體內(nèi)的一個(gè)導(dǎo)軸承支撐，屬于過定位。

圖13　A型泵上、下主軸聯(lián)接形式

圖14　B型泵上、下主軸聯(lián)接形式

A型泵上、下主軸通過兩個(gè)半聯(lián)軸器聯(lián)接（見圖13），半聯(lián)軸器與主軸為緊力配合，分別用鎖緊螺母鎖緊，兩個(gè)半聯(lián)軸器通過定位止口配合，用螺栓聯(lián)接，安裝方便，定位可靠，上、下主軸同心度能夠保證。而B型泵上、下主軸通過哈夫鎖環(huán)和整體式套筒聯(lián)軸器聯(lián)接（見圖14），套筒聯(lián)軸器用聯(lián)接卡環(huán)鎖緊。

3　結(jié) 論

A型泵和B型泵同為長(zhǎng)軸大型混流泵，流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、軸功率、汽蝕余量等技術(shù)參數(shù)基本相同，但A型泵自安裝運(yùn)行6 600小時(shí)以上仍平穩(wěn)、可靠，而B型泵運(yùn)行時(shí)數(shù)不及A型泵的1/3，就出現(xiàn)水泵嚴(yán)重振動(dòng)的情況，根據(jù)泵的大修發(fā)現(xiàn)，B型泵關(guān)鍵零部件的磨損及損壞是導(dǎo)致水泵振動(dòng)的直接原因。

針對(duì)B型泵關(guān)鍵零部件的磨損及損壞，通過A型泵和B型泵的結(jié)構(gòu)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種泵的整體結(jié)構(gòu)較為相似，但結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)差異較大，B型泵局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，抵抗主軸擺動(dòng)沖擊的能力不足，是造成其導(dǎo)葉體、導(dǎo)軸承、內(nèi)接管等關(guān)鍵零部件極易磨損及損壞的重要原因，同樣也造成了抽芯檢修困難的問題。主要包括以下幾個(gè)方面。

B型泵內(nèi)接管直徑小、無加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和剛度不足；B型泵導(dǎo)葉體高，穩(wěn)定性差；導(dǎo)葉體流道外體采用不規(guī)則曲線設(shè)計(jì)，中部直徑小，導(dǎo)流體與外筒體之間堆積泥沙后，造成抽芯十分困難；B型泵導(dǎo)軸承支架尺寸小、無加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和剛度不足；B型泵填料函體與內(nèi)接管采用承插式的配合，且無螺栓聯(lián)接，易造成配合面磨損，高硬度泥沙進(jìn)入導(dǎo)軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)，加劇導(dǎo)軸承磨損；B型泵支撐泵軸系的導(dǎo)軸承屬于過定位，上、下主軸采用整體式套筒聯(lián)軸器聯(lián)接，安裝不便，套筒聯(lián)軸器與主軸為間隙配合，上、下主軸同心度偏差較大。

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.24.108

TH313

A

1673-0194（2015）24-0133-04

2015-11-19