甄志杰

大型中開(kāi)泵泵體的加工分析和改進(jìn)

甄志杰

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021）

大型中開(kāi)泵由于外形尺寸龐大、加工精度要求高等原因，容易出現(xiàn)加工尺寸超差及加工效率低的問(wèn)題，從而引起泵體振動(dòng)超標(biāo)、工作效率低及使用壽命短等質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)分析得知，造成大型中開(kāi)泵泵體加工效率低和加工精度低的原因主要是泵體內(nèi)大孔鏜序工藝方案不合理引起的加工系統(tǒng)剛性不足及間接測(cè)量造成的測(cè)量誤差累計(jì)放大。通過(guò)改進(jìn)泵體鏜序工藝和研制跨徑千分尺使泵體鏜序加工效率整體提高了約20%，尺寸檢測(cè)合格率達(dá)100%，綜合估算每臺(tái)泵加工成本降低約2萬(wàn)元。

大型中開(kāi)泵泵體；內(nèi)大孔尺寸；加工系統(tǒng)剛性；加工效率；跨徑千分尺

中開(kāi)泵又稱為單級(jí)雙吸式離心泵，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力冶金、礦山、輕工、電站的給排水和水利工程等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。在大型水利工程和電站的給排水中，中開(kāi)泵隨著進(jìn)出水口直徑增大，流量也相應(yīng)增大，其外型輪廓趨于大型化，再加上加工精度要求高等原因，大型中開(kāi)泵在加工過(guò)程中可能出現(xiàn)加工尺寸超差、加工效率低的問(wèn)題。

中開(kāi)泵主要由泵體、泵蓋、葉輪、軸、軸套、泵體密封環(huán)、軸承體、軸承等零件構(gòu)成，其中泵體與泵蓋構(gòu)成葉輪的工作室。葉輪經(jīng)過(guò)平衡校驗(yàn)，用軸套和兩側(cè)的軸套螺母進(jìn)行固定，其軸向位置可以通過(guò)軸套螺母進(jìn)行調(diào)整。葉輪的軸向力主要利用葉片的對(duì)稱布置達(dá)到平衡，剩余的軸向力則由同軸端的軸承承受。泵軸由兩個(gè)單列向心球軸承支承。泵體兩端軸承孔位置處安裝軸承體，則在軸承體內(nèi)安裝單列向心球軸承。

1 問(wèn)題研究分析

由SXK900-1050型號(hào)泵體組裝的泵組在做水利性能試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)、噪聲超標(biāo)、軸承溫度高及效率低的質(zhì)量問(wèn)題。泵振動(dòng)超標(biāo)的危害主要有：造成機(jī)組不能正常運(yùn)行；引發(fā)電機(jī)和管路的振動(dòng)；造成軸承等零件的損壞；造成連接部件松動(dòng)，基礎(chǔ)裂紋或電機(jī)損壞；造成與泵連接的管件或閥門松動(dòng)、損壞等。噪聲超標(biāo)會(huì)造成人的心情煩躁、注意力分散等負(fù)面影響；長(zhǎng)期軸承溫度高會(huì)導(dǎo)致軸承燒壞，甚至發(fā)生抱軸現(xiàn)象。

中開(kāi)泵如果出現(xiàn)以上質(zhì)量問(wèn)題，輕則會(huì)對(duì)生產(chǎn)單位造成生產(chǎn)效率低、設(shè)備壽命短、設(shè)備損壞等事故，重則出現(xiàn)生產(chǎn)單位不能正常生產(chǎn)甚至機(jī)毀人亡等安全事故。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)SXK900-1050泵組出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行跟蹤和分析。泵組經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)葉輪口環(huán)偏磨、泵體密封環(huán)偏磨、葉輪汽蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，排查發(fā)現(xiàn)是泵體內(nèi)大孔尺寸超差導(dǎo)致葉輪與泵體密封環(huán)偏磨，從而引發(fā)上述問(wèn)題。針對(duì)泵體進(jìn)行追溯性檢查，發(fā)現(xiàn)是質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的讓步接收，具體為內(nèi)大孔780H8(+0.08/0)尺寸超差、粗糙度達(dá)不到圖紙要求。

如圖1所示，泵體以流道中心線成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，軸承體孔位置處安裝軸承體，機(jī)械密封孔位置處安裝機(jī)械密封，內(nèi)大孔處安裝泵體密封環(huán)。泵體首先通過(guò)車、銑、刨等方式加工泵體中開(kāi)面和地腳面，然后通過(guò)鉆車加工泵體中開(kāi)面中螺紋孔，螺紋孔加工完成后與泵蓋合裝，接著進(jìn)入鏜床工序，在鏜床完成泵體內(nèi)大軸承孔、機(jī)械密封孔、過(guò)孔、內(nèi)大孔、進(jìn)出水口面及孔的加工工作。

圖1 SXK900-1050泵體結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)內(nèi)大孔780H8(+0.08/0)尺寸超差和粗糙度達(dá)不到圖紙要求的問(wèn)題，從人、機(jī)、料、法、環(huán)五要素進(jìn)行分析研究。

（1）“人”要素

鏜床加工工人都是技師或高級(jí)技師，加工經(jīng)驗(yàn)非常豐富，因而排除人的原因。

（2）“機(jī)”要素

加工該泵體的鏜床屬于高精度設(shè)備，通過(guò)組織相關(guān)人員進(jìn)行設(shè)備精度的驗(yàn)證，設(shè)備精度滿足要求。因而排除設(shè)備精度的原因。

（3）“料”要素

泵體材質(zhì)采用QT500-7，硬度為170～230 HB。用硬度計(jì)測(cè)試泵體內(nèi)大孔處三個(gè)部位的硬度分別為190 HB、185 HB、200 HB，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，再對(duì)泵體材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果也合格。因而排除料的原因。

（4）“環(huán)”要素

采用與泵體加工相同的焊接刀、設(shè)備和切削參數(shù)，對(duì)相同材質(zhì)的孔進(jìn)行加工，未出現(xiàn)粗糙度達(dá)不到圖紙要求的情況，因此排除環(huán)境的原因。

（5）“法”要素

SXK900-1050泵體鏜序原工藝為：粗鏜本端軸承體孔、機(jī)械密封孔、過(guò)孔及內(nèi)大孔→工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，按已加工面找平、已加工內(nèi)孔找正，粗鏜本端軸承體孔、機(jī)械密封孔、過(guò)孔及內(nèi)大孔→精鏜本端軸承體孔、機(jī)械密封孔、過(guò)孔及內(nèi)大孔→工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，用百分表找平找正，按另一端已加工面找平、按另一端已加工內(nèi)孔找正，精鏜本端軸承體孔、機(jī)械密封孔、過(guò)孔及內(nèi)大孔。

該工藝方案是小型中開(kāi)泵泵體的成熟工藝，但在用于SXK900-1050泵體加工的過(guò)程中出現(xiàn)了質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)項(xiàng)目其他泵體的鏜序加工過(guò)程進(jìn)行跟產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)楣に嚥缓侠砑皽y(cè)量工具誤差大的原因?qū)е铝嗽摫皿w的質(zhì)量問(wèn)題。

粗鏜內(nèi)大孔時(shí)切削用量為吃刀量不到2 mm、主軸轉(zhuǎn)速7 r/min，這樣小的切削量導(dǎo)致出現(xiàn)扎刀、粗糙度差等問(wèn)題，同時(shí)還存在焊接刀消耗量大，發(fā)現(xiàn)報(bào)廢的焊接刀柄部位發(fā)生彎曲現(xiàn)象。泵體在加工內(nèi)大孔時(shí)，主軸處于懸臂狀態(tài)且伸出太長(zhǎng)（伸出約2 m）。通過(guò)在內(nèi)大孔處架設(shè)攝像機(jī)查找原因，發(fā)現(xiàn)加工時(shí)主軸顫動(dòng)，用百分表檢查主軸前端和靠近機(jī)床端，發(fā)現(xiàn)跳動(dòng)相差太大，分析發(fā)現(xiàn)是因?yàn)榈侗P的回轉(zhuǎn)半徑大和自重大，再加上切削力的原因，導(dǎo)致系統(tǒng)剛性變差。加工系統(tǒng)剛性不足引起主軸跳動(dòng)相差太大，進(jìn)而分析根本原因是工藝方案不合理引起的加工系統(tǒng)剛性不足，導(dǎo)致發(fā)生連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致加工效率低。

針對(duì)加工精度低的問(wèn)題，首先從測(cè)量工具上進(jìn)行分析。在鏜內(nèi)大孔時(shí)，測(cè)量尺寸需要首先把泵蓋從泵體拆下來(lái)，測(cè)量完畢后，修正吃刀量，將泵蓋裝上，然后進(jìn)行加工，重復(fù)直至加工結(jié)束。由于刀盤自重比較大，裝卸困難，占用的輔助時(shí)間太長(zhǎng)，操作者選擇不裝卸刀盤、主軸不退出，因此不能使用通用量具測(cè)量，只能通過(guò)卡鉗間接測(cè)量，造成測(cè)量誤差累計(jì)并放大，從而導(dǎo)致加工尺寸超差，因此加工精度低的最根本原因是沒(méi)有合適的測(cè)量工具。

2 制定解決方案

2.1 工藝改進(jìn)

為解決加工效率低的問(wèn)題，制定以下方案并實(shí)施，在實(shí)施過(guò)程中再次確認(rèn)了影響加工效率低的根本原因。

（1）工藝方案改進(jìn)

改進(jìn)后的SXK900-1050泵體鏜序工藝方案為：粗鏜本端軸承體孔和機(jī)械密封孔，按工藝要求鏜過(guò)孔（工藝尺寸）→在過(guò)孔（工藝尺寸）處架鏜套，粗鏜本端內(nèi)大孔→工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，按已加工面找平、已加工內(nèi)孔找正，粗鏜本端軸承體孔和機(jī)械密封孔，按工藝要求鏜過(guò)孔（工藝尺寸）→在過(guò)孔（工藝尺寸）處架鏜套，粗鏜本端內(nèi)大孔→精鏜本端軸承體孔、機(jī)械密封孔、過(guò)孔→工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，用百分表找平找正，按另一端已加工面找平、按另一端已加工內(nèi)孔找正，精鏜本端軸承體孔、機(jī)械密封孔、過(guò)孔→上浮動(dòng)鏜桿架鏜套（機(jī)械密封孔處），精鏜兩端內(nèi)大孔。

改進(jìn)后工藝方案和原工藝方案區(qū)別主要在粗鏜內(nèi)大孔和精鏜內(nèi)大孔。粗鏜內(nèi)大孔時(shí)，在過(guò)孔處增加了支撐套，相當(dāng)于縮短了主軸伸出量，增加了加工系統(tǒng)剛性。精鏜內(nèi)大孔時(shí)，由原來(lái)的兩道工序完成改進(jìn)為一道工序完成，減少了拆裝泵蓋次數(shù)，降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)由以前的懸臂加工改為兩端支撐加工，增強(qiáng)了加工系統(tǒng)剛性。

工藝改進(jìn)后按照原切削參數(shù)進(jìn)行切削加工并驗(yàn)證，用百分表檢查主軸切削端和靠近機(jī)床端對(duì)比跳動(dòng)均在正常范圍內(nèi)，加工過(guò)程中未出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象。再次證明了原工藝方案不合理是導(dǎo)致加工效率低的根本原因。

（2）工裝改進(jìn)

報(bào)廢的焊接刀刀柄發(fā)生彎曲現(xiàn)象是因?yàn)榈侗P的直徑不夠大，只能通過(guò)焊接刀外移來(lái)保證切削，因焊接刀柄較細(xì)故其剛性不足，再加上焊接刀伸出太長(zhǎng)后受切削力的影響，從而導(dǎo)致焊接刀柄發(fā)生彎曲現(xiàn)象。重新設(shè)計(jì)制作增加刀盤長(zhǎng)度及厚度，如圖2所示。

泵體在加工內(nèi)大孔時(shí)，主軸顫動(dòng)，用百分表檢查主軸前端和靠近機(jī)床端，發(fā)現(xiàn)跳動(dòng)相差太大，分析發(fā)現(xiàn)是因?yàn)橹鬏S處于懸臂狀態(tài)再加上主軸伸出太長(zhǎng)（伸出約2 m），其次刀盤的回轉(zhuǎn)半徑大、自重大，再加上切削力的原因，導(dǎo)致系統(tǒng)剛性變差。為提高加工系統(tǒng)剛性設(shè)計(jì)制作了工裝（支撐套、浮動(dòng)鏜桿及鏜套）如圖3所示。

注：1.每套兩件，其中一件打孔，另一件攻絲，其余部位完全相同；2.兩件一起加工內(nèi)孔。

圖3 支撐套、浮動(dòng)鏜桿及鏜套示意圖

在粗鏜內(nèi)大孔時(shí)，首先把過(guò)孔鏜成工藝尺寸，然后在過(guò)孔處架上支撐套，相當(dāng)于縮短了主軸伸出量，支撐套的目的是輔助支撐主軸，支撐套的內(nèi)孔和主軸近乎是0碰0的小間隙配合，支撐套的外圓和泵體過(guò)孔也是小間隙配合。為了防止支撐套對(duì)主軸造成磨損，切削過(guò)程中在支撐套與主軸之間用耐磨高分子軟材料隔開(kāi)并加油潤(rùn)滑。支撐套內(nèi)套采用耐磨高分子軟材料不僅限制了主軸的徑向跳動(dòng)，同時(shí)還吸收了來(lái)自切削引起的振動(dòng)。支撐套的使用不僅保護(hù)了主軸和設(shè)備精度，也增強(qiáng)加工系統(tǒng)剛性。在精鏜內(nèi)大孔時(shí)，在兩端機(jī)械密封孔處架鏜套并穿上兩端支撐浮動(dòng)鏜桿，為了防止鏜套對(duì)鏜桿造成磨損，在鏜套與浮動(dòng)鏜桿之間用耐磨高分子軟材料隔開(kāi)并加油潤(rùn)滑，加工系統(tǒng)由原懸臂狀態(tài)變?yōu)閮啥酥螤顟B(tài)，動(dòng)力系統(tǒng)由主軸傳遞給浮動(dòng)鏜桿，浮動(dòng)鏜桿帶動(dòng)鏜刀盤進(jìn)行切削加工。浮動(dòng)鏜桿由兩端鏜套進(jìn)行支撐，鏜桿外圓和鏜套內(nèi)孔是近乎是0碰0的小間隙配合，鏜套外圓和泵體機(jī)械密封孔也是小間隙配合，這樣保證了內(nèi)大孔與其他部位的同軸度，鏜套內(nèi)套采用耐磨高分子材料不僅可以吸收切屑引起的振動(dòng)，還能保護(hù)鏜桿不受磨損。浮動(dòng)鏜桿和鏜套的結(jié)合使用不僅保護(hù)了主軸和設(shè)備精度，也增強(qiáng)加工系統(tǒng)剛性。

通過(guò)以上措施增強(qiáng)加工系統(tǒng)剛性后，實(shí)際加工吃刀量從原來(lái)的不到2 mm增加到3 mm，轉(zhuǎn)速?gòu)? r/min增加為10 r/min。改進(jìn)后的粗鏜內(nèi)大孔加工效率比原工藝方案提高約50%，且粗糙度得以保證，同時(shí)還降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而鏜序整體加工效率提高約20%左右。

2.2 研制跨徑千分尺

為了解決測(cè)量困難的問(wèn)題，研究了一種可以不用退出主軸、同時(shí)還能保證測(cè)量精度的專用量具——跨徑千分尺，如圖4所示。該量具采用外徑千分尺改制，是在外徑千分尺兩端裝上接桿內(nèi)徑千分尺。

圖4 跨徑千分尺結(jié)構(gòu)示意圖

該跨徑千分尺優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）利用外徑千分尺缺口部位可以跨過(guò)主軸，同時(shí)利用接桿內(nèi)徑千分尺測(cè)量?jī)?nèi)大孔尺寸；

（2）可以根據(jù)尺寸的大小進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)組裝不同尺寸的接桿千分尺，達(dá)到測(cè)量所需要尺寸的目的；

（3）操作簡(jiǎn)單，使用方法和測(cè)量精度與內(nèi)徑千分尺一樣。

通過(guò)這種跨徑千分尺的使用，避免了使用卡鉗測(cè)量誤差大造成的尺寸超差，不僅解決了測(cè)量困難的問(wèn)題，同時(shí)測(cè)量精度高。使用專用量具后檢測(cè)合格率達(dá)到100%。

3 改進(jìn)效果

采用改進(jìn)方案加工了幾個(gè)SXK900-1050型號(hào)泵體，均未出現(xiàn)尺寸超差和粗糙度超差的質(zhì)量問(wèn)題。組裝泵體時(shí)將百分表架在葉輪上，轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪檢查泵體內(nèi)大孔處的跳動(dòng)，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)跳動(dòng)符合圖紙要求。在泵組做水力性能試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)泵組水力性能符合圖紙要求，未出現(xiàn)任何問(wèn)題，泵組拆解后也未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)一系列的跟蹤驗(yàn)證，證明該改進(jìn)工藝和跨徑千分尺的使用解決了大型中開(kāi)泵泵體加工精度低和加工效率低的問(wèn)題。

通過(guò)改進(jìn)工藝和研制跨徑千分尺使泵體鏜序加工效率整體提高了約20%，尺寸檢測(cè)合格率達(dá)100%，綜合估算每臺(tái)泵加工成本可以降低約2萬(wàn)元。

[1]聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 5版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]陳宏鈞. 機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M]. 4版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3]劉勝新. 實(shí)用金屬材料手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]曾正明. 機(jī)械工程材料手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]GB/T 1348－2009，球磨鑄鐵件[S].

Processing Analysis and Improvement of Large-Scale Medium-Open Pump Body

ZHEN Zhijie

( China Nuclear Fourth Research and Design Engineering Co., Ltd., Shijiazhuang 050021, China )

Large-scale medium-open pump due to large size, high processing accuracy requirements and other reasons. Easy to happen the problem of easy over difference of processing size and low processing efficiency, resulting in pump body vibration exceeding standards, low efficiency and short service life and other quality problems. Through analysis, The main reasons for the low processing efficiency and low processing accuracy of large-scale medium-open pump body are mainly due to the lack of rigidity of the processing system caused by the unreasonable scheme of large hole boring process in the pump body and the cumulative amplification of measurement errors caused by indirect measurements. Through the improvement of the process and micrometers, the pump body machining efficiency has been improved by about 20%, the dimensional test pass rate of 100%, the comprehensive estimate of each pump processing cost reduction of about 20,000 yuan.

large medium-open pump body；the inner large hole size；rigidity of the machining system；processing efficiency；span micrometer

TH311

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.012

1006－0316 (2020) 07－0076－05

2020－01－10

甄志杰（1983－），男，河北石家莊人，工程師，主要從事核電設(shè)備監(jiān)造工作，E-mail：seaicaer@qq.com。