文| 范學(xué)民，沈陽(yáng)格瑞德泵業(yè)有限公司
摘要: 除鱗泵是鋼廠(chǎng)除鱗系統的關(guān)鍵設備，除鱗泵能否長(cháng)期、安全的運行成為影響鋼鐵表面質(zhì)量和鋼材產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。本文通過(guò)鞍鋼除鱗泵在運行中出現的問(wèn)題，主要從軸承體和托架部件、筒體部件、泵軸幾方面進(jìn)行分析，提出幾點(diǎn)改進(jìn)設計的建議。
關(guān)鍵詞：除鱗泵 振動(dòng) 強度 斷軸
1. 前言
鞍鋼除鱗泵為國產(chǎn)高壓多級雙殼體離心泵衙伶。該泵主要存在振動(dòng)過(guò)大、性能突然下降挫颤、斷軸等問(wèn)題。該泵的水力設計和泵的精心安裝罩盈、操作與維護以及現場(chǎng)可能的安全規則不在本文的討論范圍。本文根據現場(chǎng)發(fā)生的問(wèn)題，僅從泵的結構設計進(jìn)行討論分析，提出幾點(diǎn)改進(jìn)設計建議。
除鱗泵流量約為300m3/h～400m3/h瞳缠，揚程約為2500m扳殉，間隙除鱗(變頻)蝗淡。由于該泵存在揚程高，轉數頻繁變化浙踢，介質(zhì)含固體顆粒等惡劣的使用工況官辈，又因為除鱗泵是鋼廠(chǎng)除鱗系統的關(guān)鍵設備，所以該泵在設計時(shí)應該把克服惡劣的使用工況，保證泵安全穩定的運行放在首位。
2. 原泵結構
鞍鋼中厚板原用除鱗泵為國內某知名水泵廠(chǎng)的產(chǎn)品辑挣。如附圖1所示，該泵主要由轉子部件跨胸、吸入渦室、筒體部件漾岳、中段、導葉磷支、平衡機構、后泵蓋刨税、托架、軸封組成腌哎。
轉子部件是用兩個(gè)徑向軸承部件和推力軸承部件完成徑向支撐和軸向固定，推力軸承部件的扇形塊承受泵的平衡機構沒(méi)有完全平衡掉的殘余軸向力碰镜。葉輪的吸入口都朝向泵的吸入端，逐級滑裝在軸上贴硫。在末級導葉和后泵蓋之間裝配可壓縮的纏繞墊組，使后泵蓋能夠可靠地把“泵芯”壓在泵筒體部件內鞠脯。泵兩端軸封采用填料密封。
圖1
3. 現場(chǎng)故障的表現形式與分析以及改進(jìn)方法
該泵出廠(chǎng)時(shí)軸承體振動(dòng)值在4.2mm/s左右碴里。隨著(zhù)使用與維修次數的增多筏亿，軸承體的振動(dòng)值越來(lái)越大芹凛，高時(shí)達到7.5mm/s肥隆。過(guò)高的振動(dòng)會(huì )增加耐磨環(huán)和轉子的磨蝕往骗，降低泵的效率应结，嚴重時(shí)會(huì )引起停機迫像，付出高昂的代價(jià)。精心的加工，嚴格的檢查和細心的安裝可以有效地減小振動(dòng)仿啃。但是由設計引起的振動(dòng)不容易被發(fā)現和解決。該泵振動(dòng)故障頻譜特征為2倍頻（2X）。產(chǎn)生2倍頻的原因較多焕议，排除轉子不對中瘸拳、摩擦和部件松動(dòng)等原因，最有可能引起振動(dòng)的原因是軸承[1]。分析原泵結構赶薪，托架部件和軸承體部件是該泵的薄弱點(diǎn)，該泵的軸承體和固定軸承體的托架部件均采用了下半圓支撐的形式的設計，這種設計降低了托架的剛度和軸承體的穩定性，存在引起振動(dòng)的隱患。因此在改進(jìn)設計時(shí)，要著(zhù)重加強軸承體和托架部件的剛度坎薪。軸承體和托架部件改為整圈設計十艾。要盡可能的減少托架部件開(kāi)孔的數量和減小開(kāi)孔的大小呐品。托架部件的開(kāi)口只需要滿(mǎn)足完成機封鎖緊功能和接管功能，應該最大限度的增大托架部件的剛度。改進(jìn)后的托架部件（密封函體）如附圖2。
在相同的邊界條件下垄开，通過(guò)simulation分析得出：設計改進(jìn)后托架的最大應力為原泵0.63倍式廷，設計改進(jìn)后托架的最大位移僅為原泵0.18倍。如附圖3所示；
該除鱗泵在鞍鋼現場(chǎng)運轉一段時(shí)間，出現壓力突然下降的現象，已經(jīng)無(wú)法達到中、厚板的除鱗要求俯渤，被迫停泵檢修孟呈。拆解檢查該泵發(fā)現烫撼，葉輪和導葉流道無(wú)明顯缺陷冶翎，導葉和中段密封面完好無(wú)損挎紫。定子密封環(huán)和轉子密封環(huán)間隙在設計范圍內。但在檢查筒體部件時(shí)發(fā)現爵现，在泵的吸入口與吸入渦室外徑處（附圖4 R1處）有貫通孔，出現了打“回流”的現象篷店。
圖4
經(jīng)分析，該處壓差最大胎驴，需要有足夠的強度笤吆，而原泵設計沒(méi)有引起足夠的重視止毕，也沒(méi)有采取相應的措施，導致該處被擊穿，出現貫通孔。由于鞍鋼現場(chǎng)管道施工困難，導致無(wú)法采用偏移吸入口來(lái)增加該處厚度的措施蒋足。因此窑滞，只能在不更改現場(chǎng)安裝尺寸的前提下做一些設計改進(jìn)丹仅。分析泵筒體部件的原設計改览，可以從以下幾方面進(jìn)行設計改進(jìn)：（1）增加筒體部件承受壓差部位的厚度。滿(mǎn)足安裝要求的同時(shí)減小吸入渦室法蘭厚度，更改首級中段和首級導葉的軸向尺寸茁铝。使筒體部件承受壓差部位的厚度由原來(lái)的28mm增加到43mm毫胜，達到增強筒體部件承受壓差部位強度的目的。（2）更改筒體部件應力集中點(diǎn)。筒體部件承受壓差部位圓弧R1不足以滿(mǎn)足減小應力集中的需求。加大圓弧（徑向和向吐出口方向）完全不影響筒體部件的強度囤檐，如附圖5所示。這種改進(jìn)經(jīng)過(guò)有限元分析發(fā)現有效的減小了應力奇異點(diǎn)【2】抛敛，增強應力集中點(diǎn)位置的耐壓能力。
（3）增加入口加強筋板。為了減小筒體部件承受壓差部位的變形蓝晒，不影響流量的情況下，在筒體部件吸入口位置（低壓側）焊接一個(gè)20mm厚的入口加強筋板，加強筋板焊前應加工出焊接坡口乳怎，焊后要求對焊縫進(jìn)行嚴格的檢測，保證加強筋板牢固的同時(shí)，減小筒體部件薄弱點(diǎn)的變形撰征。原泵軸斷裂主要集中在首級葉輪軸肩處。原泵軸葉輪處軸徑為110mm,兩軸承支撐點(diǎn)之間的跨距為2573mm,長(cháng)徑比約為23.39贷挠。該值大于20的經(jīng)驗值[3]衬横，證明該泵的轉子剛度不足夠耻陕。如圖1所示，原泵葉輪采用“串糖葫蘆”的結構設計惯悠，后一級葉輪依靠前一級葉輪定位，這樣钦奈，所有葉輪產(chǎn)生的軸向力均作用在首級葉輪軸肩處。因此原泵在首級葉輪軸肩處出現了泵軸斷裂的現象。經(jīng)分析，改進(jìn)設計從以下幾方面進(jìn)行：（1）在水力尺寸允許且滿(mǎn)足現場(chǎng)安裝的要求下，將葉輪處軸徑提升至￠125mm, 軸承支撐點(diǎn)之間的跨距縮短到2450mm，長(cháng)徑比約為19.6桨座，略小于20的經(jīng)驗值。（2）將葉輪的固定方式改為“逐級單獨定位”勃遥，每個(gè)葉輪通過(guò)級間卡環(huán)獨立的固定在軸上步柒，減小首級葉輪軸肩處的受力。但應注意，合金鋼對應力集中的敏感度高，級間卡環(huán)槽和分半卡環(huán)槽處極易產(chǎn)生應力集中和疲勞失效抠蕊，如果此位置圓弧小，就會(huì )形成很高的局部應力集中，存在泵軸斷裂的風(fēng)險。要盡可能的加大此位置的圓角。如附圖6。
（3）選用更高強度的泵軸材料淳地。17-4PH（ZG0Cr17Ni4CuNb）是一種典型的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，該材料含鎳量低混滔，馬氏體轉變溫度高于室溫，經(jīng)馬氏體轉變后粮寡，再經(jīng)480～620℃時(shí)效處理，使強度進(jìn)一步增強。在400℃以下有良好的高溫力學(xué)性能。各項力學(xué)性能指標均優(yōu)于3Cr13,更適合作為除鱗泵上傳遞大扭矩的泵軸使用。兩者力學(xué)性能指標如表1所示。
（4）更改葉輪鍵槽的布置形式。實(shí)踐證明腊尚，相鄰兩葉輪的鍵槽180°對稱(chēng)布置很容易在鍵槽處產(chǎn)生應力集中。將相鄰兩葉輪的鍵槽改為120°布置，使泵軸受力更均勻。除鱗泵作為除鱗系統的重要設備，是影響鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量的最關(guān)鍵因素放仗，以及該泵頻繁升降速的工況要求除鱗泵的設計必須具備比其它大型高壓泵更高的安全系數驶乾。本文只是從鞍鋼現場(chǎng)出現問(wèn)題零部件的設計提出了幾點(diǎn)改進(jìn)設計建議棘魏，該泵其他零部件的設計驗證也是必不可少的。隨著(zhù)科技的發(fā)展，CFD也應成為設計驗證和確認的可靠手段，從設計角度最大限度的減小引起現場(chǎng)故障的可能量路。除鱗泵的制造误顶、安裝和維護同樣重要，只有保證做好各個(gè)環(huán)節迷郑，才能保證除鱗泵長(cháng)期、穩定、安全的運行，為鋼廠(chǎng)中、厚鋼板的產(chǎn)量和質(zhì)量提供有力的保障。[1] 楊紹宇,劉曉鋒,童小忠,陸頌元 大型鍋爐高能給水泵振動(dòng)故障分析與診斷方法[J]. 汽輪機技術(shù),2006,6
[2] 張曄 Solidworks Simulation 有限元分析應用引導教程
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[4] 張志善 泵用材料手冊[M]. 2007.05
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