多級污水污物潛水電泵斷軸原因分析與工藝改進

任 兵,林成波（新界泵業(yè)集團股份有限公司,浙江 臺州 317525）

多級污水污物潛水電泵斷軸原因分析與工藝改進

任 兵,林成波
（新界泵業(yè)集團股份有限公司,浙江 臺州 317525）

多級污水污物潛水電泵在使用過程中，時常出現(xiàn)泵軸斷裂現(xiàn)象，嚴重影響水泵的使用。為了準確找出水泵斷軸的具體原因，本文采用光譜儀、金相顯微鏡、硬度計等儀器對斷軸的化學成分、宏觀斷口等進行了綜合研究分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝不合理等原因是引起多級污水污物潛水電泵斷軸的主要原因，并基于此提出了相應(yīng)的工藝改進措施，以期為提高多級污水污物潛水電泵泵軸的長期耐用性提供相應(yīng)的參考。

多級潛污泵；泵軸；斷軸；工藝改進

0 前言

在水泵生產(chǎn)制造的過程中，若零件的熱處理工藝控制不當、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等，都會導致水泵無法正常工作，而部分泵軸在軸肩部位的早期失效斷裂故障則是影響水泵正常運轉(zhuǎn)的重要原因，因此，對斷裂的水泵軸進行了綜合檢測分析與研究。

1 研究與分析過程

1.1 水泵規(guī)格和檢驗方法

本次出現(xiàn)斷軸的是WQ20-120/4-15型多級污水污物潛水電泵（簡稱多級潛污泵），水泵流量為Q=20m3/h，揚程H=120m，功率P=15kW，轉(zhuǎn)速n=2900r/min，泵軸材料為40Cr。斷軸的部位在骨架油封位置的安裝軸套軸肩處。在失效分析方法的指導下，分別采用光譜儀、金相顯微鏡、硬度計等相關(guān)分析儀器對泵軸進行了詳細的檢測。

1.2 研究與分析

（1）斷軸材料的化學成分檢測

首先對是多級潛污泵的斷軸處進行取樣；用光譜儀對樣本進行化學成分檢測，具體表現(xiàn)如表1。

表1 水泵軸化學成分

（2）斷軸樣本的硬度檢測。在該檢測過程中，主要采用數(shù)顯布氏硬度計對斷軸樣本進行硬度檢測，并按照0.1mm的遞增值，由表層向中心依次檢測硬度值。泵軸在使用的過程中，不僅要求其具有較高的強度，亦要求其具有較好的耐磨性，這也就意味著，對軸回火后的硬度設(shè)計要求一般需在241-286HBW之間，才能滿足多級潛污泵的實際運用效果。但就實際的斷軸樣本硬度檢驗結(jié)果而言，其表層硬度在190HBW，中心硬度在215HBW之間，很顯然，無論是斷軸樣本的表層硬度，還是中心硬度均不滿足軸硬度的相關(guān)設(shè)計要求。

（3）觀察泵軸斷裂處金相組織。在該檢測環(huán)節(jié)，分別就水泵軸斷裂處的橫截面、豎截面截取相應(yīng)的樣本，并將兩種樣本分別放在金相顯微鏡下，對其斷裂處的組織進行仔細的觀察。在金相顯微鏡的觀察過程中發(fā)現(xiàn)，在水泵軸斷裂處的表層面，存在大約0.2mm左右的脫碳層；斷軸樣本軸心處的組織表現(xiàn)為回火索氏體以及鐵素體，而且其中鐵素體的組織形態(tài)呈現(xiàn)出魏氏組織形態(tài)；此外，將其中的脫碳層進行放大處理，可以發(fā)現(xiàn)其中的碳化物主要呈現(xiàn)出粒狀的組織結(jié)構(gòu)。

（4）非金屬夾雜物檢測。在該檢測環(huán)節(jié)，首先要在水泵斷軸處進行取樣；其次，對斷軸樣本進行拋光處理，并對其表面進行觀察，發(fā)現(xiàn)軸樣本表面具有較多的球狀夾雜物，則表明，在泵軸生產(chǎn)的過程中，軸原材料夾雜有氧化物。

1.3 研究結(jié)果討論

經(jīng)過以上五個環(huán)節(jié)對多級潛污泵斷軸樣本試驗研究結(jié)果，分析得知，泵軸斷裂的原因主要有：一是水泵斷軸處的軸肩退刀槽預留圓角過小，幾乎形成直角，使得軸肩處出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中；二是脫碳層的存在使得泵軸表面的抗疲勞強度以及硬度下降，使得工作過程中的泵軸很容易發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象；三是回火索氏體以及鐵素體的存在表明泵軸生產(chǎn)過程中淬火加熱溫度以及冷卻溫度不足，而鐵素體呈現(xiàn)出的魏氏組織形態(tài)則表明泵軸在使用的過程中很容易在鐵素體的尖端部位產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生出呈現(xiàn)不同方向的裂紋，影響了泵軸的力學性能。

2 工藝改進及結(jié)果

為改善多級潛污泵泵軸的使用質(zhì)量，促進水泵的正常運轉(zhuǎn)，并延長其使用壽命，在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)之上，對泵軸的設(shè)計方案以及生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化改進，具體表現(xiàn)如下：一是在水泵軸的軸肩處由原來2×0.5的退刀槽改為R2的圓角，以避免軸肩尖角處應(yīng)力集中過大，軸套內(nèi)孔處做C3的倒角處理，這樣不影響軸套安裝（見下圖1，圖2）。

圖1 改進前

圖2 改進后

二是在水泵軸生產(chǎn)制造的過程中，采用氮氣保護氣氛對水泵軸的零部件進行加熱處理，以避免軸表面氧化脫碳，形成脫碳層，影響水泵軸的使用質(zhì)量；三是在泵軸淬火加工的過程中，要將泵軸的淬火溫度在原有的溫度基礎(chǔ)之上再提高 20℃，并改用鹽水冷卻替代傳統(tǒng)使用的油冷冷卻方法，這樣以來，由于加熱溫度的提高以及冷卻速度的加快，則有利于泵軸組織形態(tài)的優(yōu)化，水泵軸可以由外到內(nèi)都形成馬氏體組織。

3 結(jié)語

綜上所述可知，造成多級污水污物潛水電泵軸斷裂的主要原因有：軸肩退刀槽的預留圓角過小、泵軸熱處理的保護措施不到位、淬火加熱溫度過低、冷卻速度較慢等原因，導致水泵在正常運轉(zhuǎn)過程中，由于局部應(yīng)力集中過大或者是剛度不夠，很容易發(fā)生泵軸撕裂現(xiàn)象，嚴重影響了泵軸的使用壽命。因此，要通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進措施，來確保水泵的產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]景啟明,韓維新,潘浩.熱處理對15CrMnMoVA 鋼力學性能的影響[J].材料熱處理學報，2013，34（07）.

[2]李永奎，陳俊丹，陸善平.42CrMo 鋼車輪鍛件在淬火過程中的殘余應(yīng)力研究[J].金屬學報，2014,50（01）.

[3]乜龍威,孫維連等.農(nóng)用水泵軸斷裂故障分析與工藝改進[J].農(nóng)業(yè)工程報,2015,31（04）.