黃海龍

摘 要：主要介紹藥液置換泵防止軸斷裂的葉輪與軸新型連結(jié)方式。解決軸斷裂現(xiàn)象，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，消除現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)安全隱患，有效保障蒸煮生產(chǎn)的連續(xù)性。

關(guān)鍵詞：軸;葉輪;疲勞斷裂;大螺距矩形牙;焊接

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.024

青山紙業(yè)漿粕制漿系統(tǒng)蒸煮區(qū)3臺(tái)藥液置換泵，用于漿粕生產(chǎn)中蒸煮鍋蒸煮木片時(shí)置換藥液，蒸煮鍋內(nèi)處于溫度、壓力變化大，內(nèi)部介質(zhì)呈酸堿變換的復(fù)雜工況。自2012年1月投入使用，平均5至6個(gè)月發(fā)生軸斷裂的事故，前襯及葉輪磨損大，機(jī)械密封壞，均無(wú)法再次使用，直接經(jīng)濟(jì)損失大并造成無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)。

1 基本結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)

原泵為單級(jí)單吸蝸殼離心泵，型號(hào)SP250-600.4，電機(jī)功率400kw，轉(zhuǎn)速n=1500r/min，揚(yáng)程90m，流量860m3/h。泵與電機(jī)用膜片聯(lián)軸器直聯(lián)，葉輪與軸材料均為雙相鋼S22053，采用普通平鍵的連接方式;半開(kāi)式葉輪直徑604毫米（4個(gè)葉片），懸臂式軸承架聯(lián)軸器側(cè)軸承7322兩個(gè)，葉輪側(cè)軸承NU322一個(gè)，約翰克朗JCS2-100雙端面機(jī)械密封1套。

2 故障分析

藥液置換泵運(yùn)行后泵出口壓力須保持高于蒸煮鍋內(nèi)的壓力（8kg/cm2），泵出口的氣動(dòng)控制閥急停急開(kāi)，葉輪在高速旋轉(zhuǎn)下，藥液反作用于葉輪，葉輪與軸之間形成大的沖擊力。裂紋首先產(chǎn)生于鍵槽側(cè)邊，微小裂紋逐步擴(kuò)大后造成突然的斷裂，斷口表面裂紋源、粗糙區(qū)、光滑區(qū)特征明顯，符合疲勞斷裂理論的描述，故障屬于交變應(yīng)力下的疲勞斷裂。

3 改造技術(shù)方案

新的技術(shù)方案是改變?nèi)~輪與軸頭的普通平鍵的連接形式，采用大螺距的矩形牙（圖1、2）連接，螺紋連接分散了葉輪與軸連接間的應(yīng)力集中。

3.1 螺紋尺寸的確定

（1）平鍵規(guī)格B25x14，在實(shí)際運(yùn)行中與葉輪配合可以滿足使用要求，轂槽沒(méi)有損壞，轂槽深5.4毫米，因此牙厚仍選用25毫米，牙深5毫米（圖1），此處不做擠壓強(qiáng)度校核。

（2）與葉輪配合和軸徑尺寸校核：與葉輪配合的軸直徑90毫米，鍵槽深9毫米，有效受力直徑 （ -9）x2=72毫米。

已知軸轉(zhuǎn)速n=1500r/min，傳遞功率400kw，鎖緊螺紋M42，材料雙相鋼S22053的扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力[τ]=50MPa（由成大先《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》軸篇推導(dǎo)出的近似值），求實(shí)心軸直徑d及內(nèi)外徑比為0.58（42÷72=0.58）空心軸的外徑D。

由上述計(jì)算得知，實(shí)心軸最小直徑63.4毫米，空徑比為0.58的空心軸的最小直徑為66.4毫米，均小于72毫米，說(shuō)明原軸在一般條件下運(yùn)行是可行的。

（3）軸頭受力比較（螺紋小徑取75毫米大于原軸有效直徑72毫米，簡(jiǎn)單受力分析差別忽略不計(jì)）：軸的受力由原先的徑向分布改變?yōu)榇怪庇诼菅赖氖芰Ψ较颍▓D2），合力與徑向力夾角α=70.6°，cos70.6°=0.33，徑向的受力僅為合力的0.33倍，約1/3;牙厚25毫米、牙距60毫米的設(shè)計(jì)，使得螺紋總長(zhǎng)約500毫米，去除加工牙自然形成的漸入角不計(jì)，牙厚25毫米的螺紋線長(zhǎng)約320毫米（1個(gè)螺距的螺紋線周長(zhǎng)約250毫米），是原平鍵長(zhǎng)度105毫米的3倍，單位長(zhǎng)度的矩形牙平均受力為原軸平鍵的1/3。

綜上所述，最終改造技術(shù)方案為軸的螺紋小徑75毫米，牙高5毫米，螺紋大徑85毫米，保留軸頭尺寸90毫米，形成1個(gè)小的直口與葉輪配合，保證葉輪安裝后的對(duì)中性。

3.2 軸頭與葉輪的螺紋應(yīng)成對(duì)加工以保證連接配合公差的可靠性

鎖緊螺桿M42x4.5不采用止退墊的鎖止方式（防止葉輪間斷啟動(dòng)工作可能造成止退墊的失效），而是與葉輪焊接連接，即將葉輪螺緊軸頭后，再上緊鎖緊螺桿，最后把鎖緊螺桿與葉輪接合面斷焊焊接，主要的作用是利用其與軸頭螺距的不同形成自鎖，不致造成葉輪的松脫。

4 結(jié)論

泵損壞后，無(wú)法與蒸煮鍋中的藥液置換，30噸的木片煮成漿后，后續(xù)困擾漂白工藝，不合格的漿進(jìn)入系統(tǒng)后，造成質(zhì)量不合格的漂白漿粕100-150噸成品漿，損失60萬(wàn)元以上。此項(xiàng)技術(shù)在2016年11月在3#藥液置換泵中安裝使用，至2019年6月沒(méi)有發(fā)生過(guò)故障。1#藥液置換泵于2017年12月、2#藥液置換泵于2018年6月分別更換新型結(jié)構(gòu)的泵，每臺(tái)改造成本約3萬(wàn)元， 3臺(tái)置換液泵每年節(jié)約維修費(fèi)用12萬(wàn)元，如重新選型，3臺(tái)套設(shè)備總價(jià)約400萬(wàn)元。此項(xiàng)防軸斷裂新型結(jié)構(gòu)技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的成功運(yùn)用，節(jié)約了維修費(fèi)用，避免了計(jì)劃外檢修造成的不能連續(xù)生產(chǎn)的安全隱患，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，也為舊設(shè)備改造提供了新的思路。

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