酯化物齒輪泵齒輪端面異常磨損分析及對策

張勝國，傅立峰，王國軍，王振山，楊鵬亮

（1.榮盛石化股份有限公司，河南鄭州 450000；2.鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

酯化物泵作為酯化物生產(chǎn)工藝中重要的部件，直接影響著整個(gè)生產(chǎn)工藝的安全穩(wěn)定運(yùn)行。酯化物泵通常為外嚙合齒輪泵，其結(jié)構(gòu)主要由主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、泵體、泵蓋和安全閥等組成，泵體、泵蓋和齒輪構(gòu)成的密封空間就是齒輪泵的工作室。運(yùn)行過程中，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪相互嚙合，嚙合線將高壓區(qū)和低壓區(qū)隔開，隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，密封容積隨之產(chǎn)生變化，從而達(dá)到輸送一定能量的液體的目的。

公司CP2聚酯裝置共配有3臺(tái)瑞士馬格（MAAG）公司生產(chǎn)的CSS140/180型酯化物泵，按照生產(chǎn)工藝的需要，生產(chǎn)過程中一般要求3臺(tái)酯化物泵同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)某臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，另外2臺(tái)保持運(yùn)行，可以保證整個(gè)生產(chǎn)裝置在設(shè)計(jì)的基本負(fù)荷下繼續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而，在運(yùn)行3 a后，3臺(tái)齒輪泵相繼出現(xiàn)了效率下降的情況，無法滿足正常的生產(chǎn)要求。在對齒輪泵進(jìn)行解體檢查后，發(fā)現(xiàn)齒輪端面磨損非常嚴(yán)重。為此，結(jié)合CSS140/180型酯化物泵的實(shí)際運(yùn)行狀況，對齒輪端面異常磨損的現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析齒輪端面異常磨損的原因，提出相應(yīng)對策，在后續(xù)生產(chǎn)過程中提高酯化物泵的使用壽命，節(jié)省運(yùn)行維護(hù)成本，提高生產(chǎn)工藝的整體效益。

1 泵的基本情況

公司生產(chǎn)工藝采用的泵為馬格公司生產(chǎn)的CSS140/180型酯化物泵，3套備件中1套為馬格公司原裝進(jìn)口備件，另外2套為在鄭州機(jī)械研究所有限公司定制的國產(chǎn)備件。

（1）運(yùn)行參數(shù)。輸送介質(zhì)：酯化物；出口壓力11 kg/cm2；入口壓力3.4 kg/cm2；運(yùn)行溫度290℃；操作溫度下黏度（0.005～0.15）Pa·s；轉(zhuǎn)速可由變頻驅(qū)器調(diào)整，運(yùn)行轉(zhuǎn)速（75～175）r/min。

（2）部件材料。MAAG齒輪：AISI 440C熱處理到硬度（55～58）HRC；MAAG軸承：馬格L28軸承類型。軸承應(yīng)采用不銹鋼和碳套筒。與齒輪接觸的軸承面應(yīng)涂上鎢鉻鈷合金；國產(chǎn)備件：馬氏體不銹鋼，軸頸堆焊司太立硬質(zhì)合金；軸承：工具鋼（曾經(jīng)使用過銅鋁合金，但壽命較短）

2 運(yùn)行情況

為保證生產(chǎn)過程安全穩(wěn)定，運(yùn)行中要求泵的出口壓力穩(wěn)定，而出口壓力可以通過調(diào)整齒輪泵的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在線運(yùn)行一段時(shí)間后，原裝泵及備件均出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速升高的現(xiàn)象。國內(nèi)定制備件甚至出現(xiàn)了過載電機(jī)跳停，不能在使用的情況。以C臺(tái)為例，運(yùn)行故障及檢修情況見表1。通過對泵的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對齒輪泵進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)齒輪端面磨損嚴(yán)重，磨損量達(dá)到1 mm，更甚者達(dá)到3 mm。

表1 酯化物齒輪泵運(yùn)行故障及檢修情況

3 故障分析

3.1 齒面磨損

齒輪泵的齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，兩個(gè)漸開線齒廓之間存在著相對滑動(dòng)，在載荷作用下，齒面間會(huì)引起齒面磨損。嚴(yán)重的磨損將使齒面漸開線齒形失真，齒側(cè)間隙增大，從而產(chǎn)生沖擊和噪聲，甚至發(fā)生齒輪折斷。齒輪齒面的磨損可以分為正常磨損、麻點(diǎn)磨損和粘附磨損等幾種。

圖1 齒輪泵的徑向間隙與端面間隙

無論何種形式的齒輪端面磨損均會(huì)導(dǎo)致齒寬減小，由于外嚙合齒輪泵輸送量與齒寬成正比，因此齒輪泵的輸送量降低。此外，由于軸承不具有軸向補(bǔ)償功能，一旦齒輪端面或軸承端面磨損將增大軸向泄漏，形成內(nèi)部泄漏。齒輪泵的徑向間隙與端面間隙如圖1所示，其中，δr為徑向間隙，δd為軸向間隙。齒輪端面磨損會(huì)導(dǎo)致配合間隙增大，形成沿軸向間隙的泄漏，也稱為軸向泄漏。軸向泄漏是外嚙合齒輪泵泄漏的主體，約占總泄漏量的70%。由于軸向泄漏與軸向間隙的立方成正比，因此軸向間隙增大是導(dǎo)致外嚙合齒輪泵效率下降的主要原因。

3.2 磨損原因分析

公司生產(chǎn)運(yùn)行過程中，齒輪泵效率下降，負(fù)荷升高的原因，主要是由于齒面磨損造成的，導(dǎo)致齒輪端面磨損原因主要有5個(gè)方面。

（1）潤滑問題。齒輪泵內(nèi)部摩擦副是依靠輸送的介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)潤滑和冷卻的。由于輸送的介質(zhì)黏度低，齒輪泵的工作轉(zhuǎn)速低，在齒輪端面與滑動(dòng)軸承端面之間不能形成穩(wěn)定的潤滑液膜。而軸承穩(wěn)定運(yùn)行的條件是軸承摩擦副必須形成穩(wěn)定的液膜。

（2）摩擦副材料。鋼的種類有多種，不同的工作條件和工作環(huán)境要求的摩擦副材料也不相同。如尺寸較大的齒輪常用鑄鋼，輕載的開式齒輪傳動(dòng)中常用灰鑄鐵。摩擦副材料的選擇會(huì)對其工作性能和壽命產(chǎn)生直接影響。公司采用的酯化物泵中國產(chǎn)備件材料為馬氏體不銹鋼，軸承材料為工具鋼，在操作溫度下，兩種材料硬度相差較大，直接接觸會(huì)對齒輪端面產(chǎn)生明顯的切削作用。

（3）部件加工質(zhì)量。齒輪加工工藝對齒輪的工作平穩(wěn)性具有較大影響。工作平穩(wěn)性等級較高的齒輪不僅具有較長的使用壽命，而且運(yùn)行過程中的沖擊小、振動(dòng)弱、噪聲低。通過對齒輪泵進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)軸承端面潤滑油槽無倒圓，過于鋒利，影響工作平穩(wěn)性。

（4）裝配問題。齒輪裝配后固定不動(dòng)的一般采用過盈配合進(jìn)行裝配，滑動(dòng)齒輪的裝配一般用間隙配合進(jìn)行裝配。當(dāng)軸承預(yù)緊力過高，運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生過熱抱軸，造成傳動(dòng)停止的現(xiàn)象。當(dāng)軸承預(yù)緊力過小，傳動(dòng)軸無法起到定位的作用，在受力的狀況下齒輪嚙合區(qū)會(huì)發(fā)生變化，降低使用壽命。

（5）運(yùn)行中存在問題。齒輪泵在設(shè)計(jì)時(shí)考慮系統(tǒng)應(yīng)力，齒輪泵位置不固定，但其位置變化有一限值，通過管道滑動(dòng)支撐實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)行過程中，齒輪泵管線系統(tǒng)存在振動(dòng)，導(dǎo)致齒輪泵與驅(qū)動(dòng)減速機(jī)之間存在著相對位移。十字軸萬向聯(lián)軸器并不能消除這一軸向距離變化量。造成齒輪端面與軸承端面的直接接觸，這是最主要的一個(gè)原因。

4 措施

通過對酯化物齒輪泵在運(yùn)行過程中存在的問題進(jìn)行分析，可以實(shí)施以下改進(jìn)措施，以延長使用壽命，保證穩(wěn)定生產(chǎn)。

4.1 齒輪材料進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臒崽幚?/h3>

齒輪材料的選擇是前提，熱處理方法得當(dāng)是關(guān)鍵。熱處理方法主要有表面淬火、滲碳淬火、滲氮、正火以及調(diào)質(zhì)。表面淬火的特點(diǎn)是抗疲勞點(diǎn)蝕、抗膠合能力高，耐磨性好。滲碳淬火常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動(dòng)中。滲氮是一種表面化學(xué)熱處理，處理后的齒輪硬度高，變形小，適用于內(nèi)齒輪和難以磨削的齒輪。正火可以消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能和切削性能。調(diào)質(zhì)則一般用于中碳鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的齒輪硬度一般為（220～280）HBS?？梢酝ㄟ^選擇適用的熱處理工藝降低齒輪齒面的磨損現(xiàn)象。

4.2 齒輪泵裝配時(shí)熱態(tài)調(diào)整軸向間隙

調(diào)整齒輪泵內(nèi)的軸向間隙至最佳間隙，使泄漏損失與摩擦損失之和最小。增大間隙，會(huì)使粘性摩擦損失功率減小，但泄漏損失增大；減小間隙，雖然減小泄漏損失，但又使粘性摩擦損失增大。最佳軸向間隙δd可按公式1估算。一般控制軸向間隙在0.1 mm左右。

式中Re——齒頂圓半徑，m

μ——介質(zhì)的動(dòng)力黏度，Pa·s

n——泵轉(zhuǎn)速，r/min

p——泵全壓力，MPa

4.3 對齒輪泵熱態(tài)定位

待系統(tǒng)升溫到位，待系統(tǒng)熱平衡4 h后，對齒輪泵進(jìn)行固定、定位，這樣既可以平衡管道應(yīng)力，又可以消除運(yùn)行過程中導(dǎo)致齒輪泵與驅(qū)動(dòng)減速機(jī)之間的距離變化的根源。也可以將泵與減速機(jī)和電機(jī)固定在同一基礎(chǔ)上。

調(diào)整齒輪泵驅(qū)動(dòng)齒輪軸與減速機(jī)輸出軸對中，豎直方向（+0～-15）mm，水平方向±5 mm。

4.4 操作運(yùn)行

（1）規(guī)范操作避免關(guān)閉進(jìn)出口閥門啟動(dòng)齒輪泵。關(guān)閉入口閥啟動(dòng)，會(huì)造成汽蝕或抽空；關(guān)閉出口閥會(huì)憋壓。兩種情況都會(huì)造成嚴(yán)重的機(jī)械損壞。

（2）避免頻繁啟動(dòng)，齒輪泵內(nèi)部摩擦副采用動(dòng)壓潤滑，在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)處于干摩擦狀態(tài)，頻繁啟動(dòng)不利于齒輪泵長期穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）穩(wěn)定在齒輪泵額定工況運(yùn)行。齒輪泵摩擦副冷卻靠輸送介質(zhì)回流實(shí)現(xiàn)，出口壓力太低，會(huì)使摩擦副溫度升高，不利于齒輪泵長期穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

（1）公司采用馬格公司生產(chǎn)的CSS140/180型酯化物原裝泵及國產(chǎn)備件在運(yùn)行過程中均出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速升高，效率下降，負(fù)荷升高等問題，對齒輪泵進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)齒輪端面磨損嚴(yán)重，磨損量達(dá)到1 mm，更甚者達(dá)到3 mm。

（2）導(dǎo)致齒輪端面磨損原因主要有潤滑問題、摩擦副材質(zhì)、部件加工質(zhì)量、裝配問題、以及運(yùn)行工況等因素造成。

（3）通過對齒輪材料進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臒崽幚?，裝配時(shí)熱態(tài)調(diào)整軸向間隙，對齒輪泵進(jìn)行熱態(tài)定位，以及在運(yùn)行過程中規(guī)范操作，新定制的國產(chǎn)齒輪與軸承備件在線壽命理論上可以延長至3 a，滿足生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。