吳新嶺，朱志鵬，左曉軍

螺桿泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，工作效率高，壓力脈動(dòng)小，安全可靠，在諸多工況下都可以穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。螺桿泵在板帶鋼熱軋生產(chǎn)線中更是被大量使用，特別是在軋機(jī)區(qū)域的液壓站和潤(rùn)滑站上螺桿泵被用作重要的循環(huán)過濾設(shè)備和主要的動(dòng)力源。

1 螺桿泵軸部的密封原理

螺桿泵一般是采用機(jī)械密封來實(shí)現(xiàn)軸部對(duì)油液介質(zhì)的封閉，它是一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸向密封裝置，安裝在螺桿軸與殼體的結(jié)合部位，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)油液介質(zhì)的密封作用。機(jī)械密封主要由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組件構(gòu)成，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)一般選用耐磨材質(zhì)，動(dòng)環(huán)與軸通過O-型圈實(shí)現(xiàn)對(duì)油液的密封，并且動(dòng)環(huán)及O-型圈和泵軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。靜環(huán)和泵體壓蓋保持靜止不動(dòng)，并通過O-型圈實(shí)現(xiàn)對(duì)油液的密封。動(dòng)環(huán)的彈簧能夠保證動(dòng)環(huán)在軸向自由移動(dòng)，又可補(bǔ)償動(dòng)靜環(huán)工作面的磨損，在彈簧力的作用下動(dòng)靜環(huán)始終緊貼在一起，由此實(shí)現(xiàn)密封作用。

動(dòng)靜環(huán)間密封、動(dòng)環(huán)與軸間密封、靜環(huán)與壓蓋密封、壓蓋與泵體間密封等幾處關(guān)鍵的密封部位。其中動(dòng)靜環(huán)之間密封，屬于動(dòng)密封，一般采用金屬密封，并對(duì)其工作面的加工精度要求較高。其他部位的密封屬于靜密封，一般采用O-型圈、V-型圈等密封元件，此類密封件在除有良好的密封作用外性能，同時(shí)也起到緩沖吸震的作用。

常用機(jī)封一般分為：多個(gè)小彈簧型和單個(gè)大彈簧型，兩者外觀不一樣，實(shí)質(zhì)在工作原理上是很相似的，都屬于非平衡型機(jī)封。以下為幾種非平衡型機(jī)封特點(diǎn)：

（1）單彈簧分離式O 圈型：有單個(gè)大彈簧，補(bǔ)償環(huán)O 圈在軸上滑動(dòng)。

（2）多彈簧分離式O 圈型：機(jī)封中有多個(gè)彈簧，補(bǔ)償環(huán)O 圈在軸上滑動(dòng)。

（3）唇型密封型：密封唇口直接在泵軸上滑動(dòng)。

（4）單彈簧膠套型：有單個(gè)大彈簧，并且裝有膠套，膠套在軸上滑動(dòng)及傳動(dòng)。

2 螺桿泵機(jī)封的滲漏原因分析

2.1 機(jī)封結(jié)構(gòu)機(jī)理因素

2.1.1機(jī)封運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)磨損

螺桿泵是軸向傳輸物料的容積式泵，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸向力不斷波動(dòng)。在板帶鋼生產(chǎn)線螺桿泵傳輸介質(zhì)多為液壓油或齒輪油，介質(zhì)潤(rùn)滑性好，滲透性也比較好。此類工況就出現(xiàn)會(huì)螺桿泵其機(jī)封密封在損耗不大情況下，甚至新密封時(shí)也會(huì)出現(xiàn)“滲油”現(xiàn)象。

以單個(gè)大彈簧型機(jī)封為例：這種機(jī)封是典型的非平衡-分離式機(jī)封，其優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜，在很多場(chǎng)合都能用；缺點(diǎn)：在補(bǔ)償O 圈不斷作用下，軸表面會(huì)被磨出環(huán)形凹痕。當(dāng)出現(xiàn)明顯的凹痕時(shí)螺桿泵軸部的滲漏就很嚴(yán)重了，這種情況只能采取修軸或換軸的方法來進(jìn)行處理。

但更多數(shù)時(shí)候是微觀上的不平整，這同樣也會(huì)形成泄漏通道；其更不好的情況是它顯著降低了補(bǔ)償環(huán)的追隨性。泵內(nèi)外存在壓差，泄漏通道形成，環(huán)面間追隨貼合狀況不佳，介質(zhì)滲透性強(qiáng)，這些情況的共同作用就產(chǎn)生了螺桿泵機(jī)封的滲油或漏油現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)機(jī)封拆解各部件無明顯損壞，甚至環(huán)面平晶檢測(cè)也是合格的。這種情況的通常做法是換新機(jī)封。但軸表面的環(huán)形磨痕還存在，補(bǔ)償O 圈還在那位置，螺桿泵的軸向壓力波動(dòng)還在，新的機(jī)封并沒有根除滲漏的癥結(jié)，只是通過新的補(bǔ)償O 圈改善了滲漏狀況，過一段時(shí)間補(bǔ)償O 圈老化磨損，滲漏又恢復(fù)原狀。

2.1.2金屬腐蝕

（1）表面均勻腐蝕，機(jī)封金屬環(huán)表面直接接觸油液介質(zhì)，油液在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)呈現(xiàn)弱酸性，而常規(guī)的黑金屬材質(zhì)耐腐蝕性能較差，動(dòng)靜環(huán)金屬面浸泡在此類弱酸性油液中，金屬表面就會(huì)緩慢的產(chǎn)生腐蝕，金屬表面的均勻腐蝕并非勻速進(jìn)行，隨著金屬表面的致密層被破壞，腐蝕速度就會(huì)加快。腐蝕過程以一種加速度模式進(jìn)行，使腐蝕不斷加劇。造成金屬面特別是動(dòng)靜環(huán)工作斷面的粗糙度下降，久而久之，密封性能也隨之下降，表現(xiàn)在泵組運(yùn)行上的現(xiàn)象就是軸封處開始泄漏、振動(dòng)增加，噪音增大。

（2）應(yīng)力腐蝕破裂，金屬材料在靜應(yīng)力和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的一種實(shí)效形式，機(jī)械密封端面極易出現(xiàn)局部性腐蝕、破壞。使得金屬環(huán)面產(chǎn)生帶狀裂紋，這些裂紋同樣使動(dòng)靜環(huán)工作端面粗糙度下降，端面磨損加劇，機(jī)封泄漏量增加。

（3）油液汽蝕，由于受油液流動(dòng)性能、泵進(jìn)口腔體汽蝕性能以及泵的轉(zhuǎn)速等因素影響，在泵的低壓區(qū)油液中會(huì)有氣泡，氣泡附著在金屬元件表面，而且油液中的氣泡多為酸性氣體，具有一定的腐蝕性，使金屬表層脫落，形成細(xì)小的麻點(diǎn)和凹坑，另一方面動(dòng)靜環(huán)結(jié)合面處得油液中的氣泡，會(huì)使接合面之間的油膜不連續(xù)，造成動(dòng)靜環(huán)結(jié)合面的潤(rùn)滑不良，加速磨損，機(jī)械密封老化損壞。

2.2 泵體自身因素

2.2.1泵軸的軸向竄動(dòng)大

機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)結(jié)合面要始終承受一個(gè)恒定的壓力，才保證密封效果的良好，它是通過動(dòng)環(huán)彈簧作用的動(dòng)靜環(huán)結(jié)合面，一般這個(gè)壓力的波動(dòng)越小越好。這要求泵軸不能有太大的竄量，一般要保證在0.5mm 以內(nèi)。但在實(shí)際使用過程中，負(fù)載變化壓力波動(dòng)，往往使泵軸產(chǎn)生較大的竄量一般在1mm 以上，這將之間影響動(dòng)靜環(huán)結(jié)合面的貼合的緊密程度，尤其是在泵啟停過程中，竄動(dòng)量會(huì)更大。

2.2.2泵軸的撓度偏大

螺桿泵是一種靠螺桿嚙合輸送介質(zhì)的工作特性，其泵軸的受力是不均勻的，特別在徑向力方面，受力復(fù)雜而且波動(dòng)較大，這在單螺桿泵上表現(xiàn)尤為突出，此類工況勢(shì)必造成泵軸的撓曲變形增加，進(jìn)而影響機(jī)械密封端面受力均勻性，造成結(jié)合面貼合不實(shí)。另外，由于泵組零部件的加工裝配精度因素同樣會(huì)使泵軸在機(jī)械密封安裝處的撓度較大，嚴(yán)重動(dòng)靜環(huán)的密封效果。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝使用因素

螺桿泵一般是泵與電機(jī)通過聯(lián)軸器連接，泵和電機(jī)在安裝過程中的抄平找正至關(guān)重要，如果找正誤差過大，使得聯(lián)軸器的平行度差、電機(jī)與泵組軸線不同心，泵組運(yùn)行起來振動(dòng)就大.機(jī)械密封振動(dòng)同樣增大，這些因素都加速了機(jī)封的磨損老化，最終致使機(jī)封處滲漏。另外，一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是機(jī)封的安裝，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際維修維護(hù)過程中的由于機(jī)封規(guī)格型號(hào)不符，清洗清理不徹底、位置錯(cuò)等安裝不當(dāng)原因造成泵組振動(dòng)大，噪音大，機(jī)封滲漏損壞時(shí)有發(fā)生。部分泵組安裝完成后，運(yùn)行初期泵組振動(dòng)噪音或機(jī)封滲漏不明顯，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后此類異?，F(xiàn)象加劇，諸如此類問題一般都與機(jī)封或泵組的安裝有關(guān)。

3 滲漏治理方法探究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的情況來看泵軸的表面性能和機(jī)封形式是螺桿泵軸端滲漏的主要因素，因此滲漏的治理需重點(diǎn)從泵軸的表面性能改善和泵用機(jī)封形式的改進(jìn)兩方面著手進(jìn)行。

3.1 泵軸表面性能的改善

目前針對(duì)螺桿泵螺桿及泵軸表面性能改善的工藝多為離子滲氮，離子滲氮技術(shù)具有處理速度快、性能良好及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，可提高零件表面耐磨、耐蝕性能，同時(shí)提高零件表面疲勞強(qiáng)度。通過表面納米化在泵軸表層獲得納米級(jí)細(xì)晶結(jié)構(gòu)，金屬表面的活性和化學(xué)特征也隨之改變，金屬材料表層的晶界分布較多，原子的滲入和擴(kuò)散更加容易，這些化學(xué)特征和表層晶粒結(jié)構(gòu)顯著的提高了金屬表面滲入元素的擴(kuò)散深度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將表面納米化與離子滲氮技術(shù)結(jié)合起來，有利于提高螺桿泵泵軸的服役壽命和工作效率。

3.1.1泵軸表面處理過程

螺桿泵的泵軸（主動(dòng)螺桿）材料一般選用40Cr，泵軸工件進(jìn)行熱處理，先加熱到860℃淬火，再進(jìn)行緩冷，到550℃左右時(shí)回火處理，最后進(jìn)行空冷。最終得到回火索氏體，其洛氏硬度為28HRC 左右。熱處理完成后，進(jìn)行超聲沖擊納米化的表面性能改善加工。處理后表面粗糙度接近Ra0.4，表層晶粒接近納米級(jí)，表層微缺陷減少，提高了材質(zhì)的耐磨和耐腐蝕性能、硬度也有了一定的提高。最后做離子滲氮處理。

3.1.2滲氮層深度分析

超聲沖擊納米化處理的工件，離子滲氮層深度明顯加深，擴(kuò)散層擴(kuò)散深度增加。這是由于在工件的表層細(xì)晶組織中分布著諸多的位錯(cuò)和孿晶，這種晶界結(jié)構(gòu)有助于金屬氮化物形成。且工件表面化學(xué)活性的提高，氮原子的聚集和吸附更加容易，所以經(jīng)過超聲沖擊納米化處理后的泵軸工件離子滲氮層會(huì)變深。

離子滲氮和超聲沖擊納米化-離子滲氮兩個(gè)處理過程的元素類別及主元含量占比基本一致。經(jīng)過表面納米化加工的工件，再進(jìn)行離子滲氮處理其N 元素含量顯著提高，接近1.4%。表面納米化處理對(duì)于金屬材料具有化學(xué)催滲效應(yīng)。同單純的離子滲氮相比，超聲沖擊納米化-離子滲氮得到的氮化層更為致密，表面性能更優(yōu)良。

3.1.3滲氮層硬度分析

單獨(dú)離子滲氮層硬度一般為590HV，表面納米化加工后離子滲氮層硬度提高到660HV，比40Cr 材料硬度有了明顯的增加。表面納米化處理的另外一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是隨著滲氮層加深，硬度下降較為緩慢而且均勻。超聲沖擊納米化-離子滲氮得到的離子滲氮層深度、硬度和性能緩慢程度更為良好。

3.1.4表面性能改善的效果

超聲沖擊納米化提高了螺桿泵泵軸離子滲氮層的深度，擴(kuò)散層深度明顯增加，該處理工藝更有利于氮元素的滲入和擴(kuò)散，形成更為均勻、致密的細(xì)晶組織。離子滲氮提高了鐵氮化合物的含量，抑制了Cr 的析出，增強(qiáng)了泵軸的抗點(diǎn)蝕性能。同時(shí)提高了離子滲氮層的表層顯微硬度，獲得了硬度分布更為合理的表層結(jié)構(gòu)，這種硬度分布有助于螺桿軸力學(xué)性能和耐磨性提升。

3.2 泵用機(jī)封的改進(jìn)

軸表面性能的改善會(huì)使機(jī)封的使用壽命會(huì)有一定的提高，滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)的得到一些改善，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的螺桿泵來說滲油還是會(huì)出現(xiàn)。如果再出現(xiàn)了滲油，就只能考慮修軸、換軸或其它手段。

3.2.1 泵用機(jī)封形式的改進(jìn)

使用單彈簧膠套型軸封，其膠套抱緊軸與軸間密封，并傳動(dòng)給動(dòng)環(huán)，從這個(gè)角度來看膠套應(yīng)該緊些；彈簧推動(dòng)動(dòng)環(huán)，膠套在軸上滑動(dòng)補(bǔ)償，從這個(gè)角度來看膠套又應(yīng)該松些；膠套與軸間，以及動(dòng)靜環(huán)面間都可能成為滲漏的途徑。

使用平衡型機(jī)封，其補(bǔ)償O 圈不在軸（軸套）表面，這是一種典型的分離式機(jī)封，其優(yōu)點(diǎn)：O 圈滑移由軸表面轉(zhuǎn)移到機(jī)封上，O 圈不磨軸了，這樣就能降低摩擦副損耗。缺點(diǎn)：機(jī)封軸套的材質(zhì)通常是不銹鋼一般比普通軸表面耐磨，但使用一段時(shí)間后，機(jī)封的軸套表面還是會(huì)磨損后，滲油的情況又悄然而至。不同的是，這次可以通過更換機(jī)封解決，泵軸狀態(tài)良好，一般沒有磨損。

3.2.2優(yōu)化解決方法

平衡型機(jī)械密封，在新設(shè)備、新機(jī)封時(shí)建立初始密封，一般是沒什么問題的，使用壽命較普通機(jī)封也有了一定的提高；但使用相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后，軸套表面的磨損或者機(jī)封內(nèi)部補(bǔ)償面的磨損，同樣造成補(bǔ)償能力下降甚至形成泄漏通道，滲油現(xiàn)象還是會(huì)出現(xiàn)。所以應(yīng)保持補(bǔ)償順暢和動(dòng)靜環(huán)的良好追隨性。

因此嘗試使用優(yōu)化平衡型機(jī)封，其彈簧不接觸介質(zhì)，O 圈不磨損軸；O 圈裝在特殊硬質(zhì)合金的環(huán)套上。

環(huán)套的材質(zhì)多為碳化硅或碳化鎢，其硬度極高，硬度值可達(dá)HRA88/90，利用金剛石砂輪配合專用的研磨液對(duì)其補(bǔ)償環(huán)面進(jìn)行磨削、研磨和拋光加工。碳化硅或碳化鎢補(bǔ)償環(huán)面經(jīng)過上述精細(xì)加工可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通黑金屬補(bǔ)償環(huán)面機(jī)加工能達(dá)到的粗糙度水平，以使補(bǔ)償更順暢，大幅提高環(huán)面間的追隨性。

O 圈在碳化硅或碳化鎢環(huán)面上滑移，補(bǔ)償O 圈不會(huì)對(duì)其形成磨痕；O 圈裝在環(huán)套精加工面上，其滑動(dòng)更順暢，工作面更持續(xù)耐磨。此結(jié)構(gòu)的機(jī)封以其良好的動(dòng)環(huán)跟隨性、環(huán)面更高的耐磨性，大大的提高了機(jī)封密封性能和在線運(yùn)行時(shí)間。

3.2.3螺桿泵機(jī)封滲漏治理案例

現(xiàn)場(chǎng)治理案例一

用戶/設(shè)備：2250 熱軋/精軋稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)工作泵。

泵型：HSNH1300-46W1。

原機(jī)封：JC 58U-60（分離式.非平衡）密封裝于軸承內(nèi)側(cè)。原機(jī)封問題：滲油，檢查機(jī)封部件無明顯損壞。

處理方案/效果：因該泵屬于外置軸承螺桿泵，其軸承座與機(jī)封靜環(huán)座是一體的，不便改成集裝式機(jī)封。為便于安裝，選用一種U8T 型優(yōu)化平衡機(jī)封，其裝配尺寸設(shè)計(jì)與原機(jī)封相同，安裝后運(yùn)行平穩(wěn)、密封良好、無泄漏，滲油問題得以解決。

現(xiàn)場(chǎng)治理案例二：

用戶/設(shè)備：1580 熱軋/液壓系統(tǒng)循環(huán)油泵。曾用機(jī)封：JC 58U-35（分離式.非平衡）。原機(jī)封問題：磨軸、機(jī)封密封老化后泄漏。處理方案/效果：將原來的58U 型分離式改成集裝式平衡型機(jī)封，安裝不受限制，處理后密封良好、滲油問題大為改觀。

現(xiàn)場(chǎng)治理案例三：

用戶/設(shè)備：1580 熱軋/油膜軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)工作油泵。

泵軸規(guī)格：50（55）。

曾用密封：分離式彈簧型機(jī)封。

原機(jī)封問題：機(jī)封滲漏失效。

處理方案/效果：將分離式改成集裝式318T 型平衡機(jī)封，安裝形式不受限制，安裝后使用良好，無泄漏、解決了滲油問題。

3.3 機(jī)械密封安裝方法的規(guī)范優(yōu)化

（1）螺桿泵機(jī)械密封安裝前，應(yīng)檢查確認(rèn)機(jī)械密封型號(hào)及規(guī)格是否正確，是否與泵的型號(hào)及要求一致；機(jī)械密封靜環(huán)尾部防轉(zhuǎn)槽端與防轉(zhuǎn)銷頂部應(yīng)保持1mm ～2mm 的軸向間隙，以免緩沖失效；

（2）動(dòng)、靜環(huán)端面用專用清洗劑清洗干凈，其余金屬件用煤油清洗并用潔凈的壓縮空氣吹干，仔細(xì)檢查務(wù)必保證動(dòng)、靜環(huán)密封面沒有任何損傷。裝配前，動(dòng)靜環(huán)O-型密封圈上涂一層干凈的潤(rùn)滑脂，動(dòng)、靜環(huán)端面不涂油。在安裝密封的軸，腔體及壓蓋等與輔助密封圈接觸處均勻涂油。

（3）在螺桿泵轉(zhuǎn)子與泵體的相對(duì)位置固定之后，確定機(jī)械密封的安裝位置，根據(jù)密封的安裝尺寸及靜環(huán)在壓蓋中的位置，測(cè)算出密封在軸或軸套上的定位尺寸。

（4）安裝機(jī)封動(dòng)環(huán)，動(dòng)環(huán)安裝后須保證能其在軸上靈活移動(dòng)；將組裝好的靜環(huán)部分和動(dòng)環(huán)部分組裝好；把密封端蓋裝在密封體內(nèi)，并將螺絲擰緊。

（5）試車。機(jī)封安裝完成后，手動(dòng)盤車，螺桿泵軸與機(jī)械密封配合轉(zhuǎn)動(dòng)，注意觀察轉(zhuǎn)矩的變化，以及有無異常聲響等。然后打開管路閥門，泵密封腔內(nèi)通入油液，全部排出密封腔的空氣，使密封腔中全部充滿油液，并觀察密封有無泄漏情況。確認(rèn)無誤后進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

泵軸表面納米化與離子滲氮處理技術(shù)，對(duì)于泵軸表面性能的改善有著顯著的效果，特別是提高了泵軸表面的硬度，增強(qiáng)了耐磨性，在螺桿泵的制造環(huán)節(jié)有著積極的推廣意義，但在現(xiàn)場(chǎng)螺桿泵的維修維護(hù)環(huán)節(jié)有一定的局限性。而在機(jī)封改進(jìn)方面，優(yōu)化平衡型機(jī)封在螺桿泵上的應(yīng)用，使得螺桿泵滲漏治理取得良好的效果，軸封滲漏狀況得到明顯改觀，螺桿泵的使用壽命延長(zhǎng)60%以上。另外，機(jī)械密封安裝方法的規(guī)范優(yōu)化對(duì)于泵組的穩(wěn)定運(yùn)行及機(jī)封滲漏的改善同樣有著積極的作用。諸如此類改改進(jìn)措施在提高泵組使用壽命的同時(shí)，也節(jié)省了備件成本，減少了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的工作量，更重要的是改善了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工況，避免了滲漏油液對(duì)站室環(huán)境的污染，減輕了廢舊油液的后續(xù)回收處理壓力。