通過兩種大型長軸混流泵結(jié)構(gòu)對比分析關(guān)鍵零部件損壞的原因

朱文軍，道 華，劉福榮，岑少奇

（寧夏紅寺堡揚水管理處，寧夏 中寧 755100）

通過兩種大型長軸混流泵結(jié)構(gòu)對比分析關(guān)鍵零部件損壞的原因

朱文軍，道 華，劉福榮，岑少奇

（寧夏紅寺堡揚水管理處，寧夏 中寧 755100）

寧夏紅寺堡揚水工程黃河泵站安裝A、B兩種類型的大型長軸立式混流泵，流量、揚程、轉(zhuǎn)速、軸功率、汽蝕余量等技術(shù)參數(shù)基本相同，但兩種類型泵的振動、內(nèi)體零部件壽命存在明顯區(qū)別。其中，B型泵的內(nèi)體零部件極易損壞，使用壽命不及A型泵的1/3，且維修費用高昂。針對這種情況，將通過兩種泵的結(jié)構(gòu)對比分析，探尋B型長軸混流泵內(nèi)體關(guān)鍵零部件磨損和損壞的原因。

長軸；混流泵；結(jié)構(gòu)；零部件；損壞；振動

寧夏紅寺堡揚水工程黃河泵站建成于2001年，位于寧夏中寧境內(nèi)，處于黃河上游與清水河交匯處。由于黃河水系河流流經(jīng)黃土高原，攜帶大量泥沙，加上清水河在同心縣以下地區(qū)，因下切到黃土以下紅色巖層，攜帶大量泥沙匯入黃河，形成高含沙水源，主要成份為石英、方解石、長石等高硬度硅酸鹽。寧夏南部山區(qū)灌溉用水取水泵站多在此取水，由于特殊地理位置形成高含沙水流，對水泵的要求極高，此前建成的泉眼山水源泵站采用立式離心泵，由于葉輪和泵殼等關(guān)鍵零部件磨蝕嚴(yán)重，使用壽命短，維修困難，且離心泵上水量小，能耗高，故而黃河泵站在設(shè)計選型時，采用了大流量的立式混流泵設(shè)計。根據(jù)以往運行情況，結(jié)合高泥沙水流的特殊性，探索性的選取了兩個廠家技術(shù)參數(shù)相同的兩種泵型（以下簡稱A型泵和B型泵），經(jīng)過多年運行，發(fā)現(xiàn)兩種泵的運行狀況（水泵振動等）、關(guān)鍵零部件的使用壽命明顯不同。為了探明B型泵關(guān)鍵零部件磨損、損壞的原因，現(xiàn)通過A型泵和B型泵的結(jié)構(gòu)對比，分析發(fā)生問題的原因。

1　泵的基本情況

1.1泵的基本參數(shù)

黃河泵站共安裝混流泵機組7組，至今已運行13年，2014年上水量10 799萬m3。其中，A型混流泵3臺，機組編號為1#、2#、3#，B型混流泵4臺，泵編號為4#、5#、6#、7#。兩種類型泵基本參數(shù)相同：流量5.75 m3/s，揚程22 m，轉(zhuǎn)速495 r/min，配用電機功率為1 600 kW。

1.2泵的運行情況

目前，3臺A型泵均運行平穩(wěn)，無大修經(jīng)歷，4臺B型泵均已出現(xiàn)嚴(yán)重振動，其中3臺已進行了解體大修。根據(jù)運行記錄統(tǒng)計，A型泵目前最長運行時數(shù)6 616.6小時（見表1），B型泵首次大修前最長運行時數(shù)3 640.8小時，最短運行時數(shù)1 179.8小時，而6#泵大修后運行2 300小時，又出現(xiàn)嚴(yán)重振動，無法運行。由此可見，A型泵穩(wěn)定運行時數(shù)是長沙泵首次解體大修前運行時數(shù)的2～5倍以上。

1.3泵的磨損及損壞情況

通過解體大修發(fā)現(xiàn)，B型泵可抽出內(nèi)體零部件的磨損、彎曲失效是導(dǎo)致水泵振動嚴(yán)重的直接因素，以內(nèi)體中下部零部件磨損最為嚴(yán)重，主要是：泵軸彎曲與磨損、內(nèi)接管變形與磨損、導(dǎo)葉體磨損、導(dǎo)軸承磨損、葉輪與葉輪室摩擦損壞等。其中，主軸最大彎曲量2.6 mm、單邊磨損量0.8 mm，軸套最大單邊磨損量5 mm以上（見圖1），導(dǎo)軸承（賽龍軸承）內(nèi)徑最大單邊磨損量6.9 mm（見圖2），葉輪外徑最大單邊磨損量30 mm以上，導(dǎo)葉體安裝導(dǎo)軸承部位最大單邊磨損量0.8 mm，內(nèi)接管法蘭聯(lián)接處發(fā)生螺栓剪斷。另外，在檢修時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉體與外接管之間會堆積大量泥沙，造成內(nèi)體部件無法抽出，檢修十分困難。

表1　A型泵和B型泵運行時數(shù)

圖1　磨損的軸套

圖2　磨損的導(dǎo)軸承

在B型泵的大修中，導(dǎo)葉體、內(nèi)接管等部件通過補焊、車削修復(fù)（見圖3、圖4），其他失效零部件則需要更換，僅配件費用需花費50多萬元。

圖3　導(dǎo)葉體磨損修復(fù)

圖4　內(nèi)接管變形及磨損修復(fù)

2　兩種泵的結(jié)構(gòu)對比

A型泵（見圖5）和B型泵（見圖6）均為單層基礎(chǔ)，整體結(jié)構(gòu)較為相似，固定部分由外接管、吐出彎管、吸入喇叭口、泵支撐板、電機支座等組成，可抽出內(nèi)體由導(dǎo)葉體、葉輪、主軸、導(dǎo)軸承、內(nèi)接管、導(dǎo)流體、套筒聯(lián)軸器、填料函體等組成。其中，上、下主軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，導(dǎo)軸承裝在軸承支架內(nèi)，導(dǎo)葉體與葉輪室、內(nèi)接管、軸承支架等通過定位止口配合并用螺栓聯(lián)接，整個內(nèi)體通過葉輪室下部錐面與吸入喇叭口或下部外接管上的錐面配合進行定位。導(dǎo)軸承的潤滑方式為：加壓水通過填料函體進入內(nèi)接管從導(dǎo)葉體下部流出。

圖5　A型泵結(jié)構(gòu)總圖

圖6　B型泵結(jié)構(gòu)總圖

為了探明B型泵內(nèi)體零部件過早磨損及損壞的原因，結(jié)合兩種類型泵的運行情況和B型泵的大修情況，主要從兩種泵的結(jié)構(gòu)細節(jié)進行對比，進而分析B型泵關(guān)鍵零部件磨損及損壞的原因。

2.1內(nèi)接管結(jié)構(gòu)設(shè)計差異

A型泵內(nèi)接管總共4截，3個直管1個錐管，總長約為6 800 mm，直管直徑約為500 mm，錐管與導(dǎo)葉體連接處直徑約為900 mm（見圖7），B型泵內(nèi)接管總共2截，總長約為5 900 mm，直徑約為300 mm（見圖8）。A型泵內(nèi)接管法蘭聯(lián)接處設(shè)有加強筋，B型泵沒有。

下部導(dǎo)軸承部位（安裝在導(dǎo)葉體軸承支架內(nèi)）是承受主軸擺動沖擊最大的部位，導(dǎo)軸承受力后傳遞到導(dǎo)葉體，導(dǎo)葉體再把力傳遞到與之聯(lián)接的內(nèi)接管底部，這是內(nèi)接管受力和發(fā)生變形最大的部位。為了提高內(nèi)接管特別是受力最大部位的強度和抗變形能力，A型泵設(shè)計了錐形內(nèi)接管，與導(dǎo)葉體法蘭聯(lián)接處管徑達到了900 mm，并設(shè)有加強筋結(jié)構(gòu)，加強該部位的強度和剛度。另外，A型泵直管直徑為500 mm，單個內(nèi)接管較短，強度和剛度大。而B型泵內(nèi)接管由于直徑只有300 mm，單個內(nèi)接管更長，自身強度和剛度相對較差，且內(nèi)接管受力最大部位并沒有設(shè)計加強筋結(jié)構(gòu)，內(nèi)接管與導(dǎo)葉體聯(lián)接法蘭處由于直徑小，聯(lián)接螺栓數(shù)目更少，承受主軸擺動沖擊的能力較低，易造成原泵存在螺栓剪斷、內(nèi)接管變形和磨損的情況。

圖7　A型泵內(nèi)接管

圖8　B型泵內(nèi)接管

2.2導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)設(shè)計差異

A型泵導(dǎo)葉體加葉輪室總高度約1 400 mm，即內(nèi)接管與導(dǎo)葉體聯(lián)接處相對葉輪室上的定位錐面的高度只有1 400 mm，而B型泵導(dǎo)葉體加葉輪室總高度超過2 300 mm，即內(nèi)接管與導(dǎo)葉體聯(lián)接處相對葉輪室定位錐面的高度超過了2 300 mm，高度越高，穩(wěn)定性相對越差，在主軸擺動的沖擊力作用下，產(chǎn)生的位移或變形量就越大，這也是造成原泵存在螺栓剪斷、內(nèi)接管變形和磨損的原因。

A型泵導(dǎo)葉體兩側(cè)流道采用直線型結(jié)構(gòu)，而B型泵采用入口到出口流道逐漸變寬的漸變型結(jié)構(gòu)，使聯(lián)接內(nèi)接管處的法蘭直徑更小，螺栓聯(lián)接數(shù)目少，不利于承受主軸擺動的沖擊。另外，B型泵導(dǎo)葉體外體采用不規(guī)則曲線設(shè)計，中部直徑小，下部和上部直徑大，導(dǎo)葉體與外筒體之間堆積泥沙后，造成抽芯十分困難。為此，在內(nèi)體整體抽芯時曾用天車起吊、噴燈烘烤外接管（外接管與導(dǎo)葉體之間泥沙堆積處）、千斤頂在下主軸底部加力相結(jié)合的辦法才將內(nèi)體抽出，耗費大量人力、物力。

2.3導(dǎo)軸承支架結(jié)構(gòu)設(shè)計差異

A型泵設(shè)計有獨立的導(dǎo)軸承支架，與內(nèi)接管或?qū)~體用螺栓聯(lián)接（見圖9），并有加強筋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軸承安裝在導(dǎo)軸承支架內(nèi)用另一組螺栓聯(lián)接；而B型泵沒有設(shè)計獨立的導(dǎo)軸承支架，導(dǎo)軸承直接安裝在內(nèi)接管（見圖10）或?qū)~體內(nèi)，內(nèi)接管沒有加強筋結(jié)構(gòu)，上下內(nèi)接管及導(dǎo)軸承共同用一組螺栓聯(lián)接，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單。由于B型泵內(nèi)接管直徑小，且無加強筋設(shè)計，強度和剛度較A型泵明顯偏弱，抵抗主軸擺動沖擊的能力不足，易產(chǎn)生較大變形，這也是造成原泵存在內(nèi)接管變形、重要配合面磨損的原因。

圖9　A型泵設(shè)計有獨立的導(dǎo)軸承支架

圖10　B型泵導(dǎo)軸承安裝在內(nèi)接管內(nèi)

2.4上部內(nèi)接管與填料函體聯(lián)接形式差異

A型泵上部內(nèi)接管與泵蓋板定位配合（見圖11），填料函體與內(nèi)接管采用止口定位配合，并用螺栓聯(lián)接，同時填料函體與泵蓋板用螺栓聯(lián)接。B型泵的填料函體與泵蓋板定位配合，用螺栓聯(lián)接（見圖12），上部內(nèi)接管與填料函體采用承插式配合進行定位，兩者無螺栓聯(lián)接。由于B型泵填料函體與內(nèi)接管的配合為間隙配合，加上沒有采用螺栓聯(lián)接固定，細微砂礫進入配合間隙后，在主軸擺動沖擊力的作用下，加劇了兩者配合面的磨損，間隙變大，進一步使內(nèi)接管擺動幅度更大，加劇了內(nèi)接管的變形。

圖11　A型泵填料函體與內(nèi)接管的聯(lián)接形式

圖12　B型泵填料函體與內(nèi)接管的聯(lián)接形式

另外，由于配合間隙的增大，會造成從填料函體進入內(nèi)接管對導(dǎo)軸承潤滑的高壓水流流失，加上從配合間隙進入內(nèi)接管的高硬度泥沙，導(dǎo)軸承潤滑條件惡化，加劇了導(dǎo)軸承的磨損，使主軸擺動幅度更大，內(nèi)體部件承受的沖擊力更大，這也是導(dǎo)致關(guān)鍵零部件變形、磨損及聯(lián)接內(nèi)接管的法蘭螺栓剪斷的原因。

2.5支撐泵軸系的導(dǎo)軸承布置及主軸聯(lián)接形式差異

A型泵下主軸由兩個導(dǎo)軸承支撐，一個設(shè)在導(dǎo)葉體上的軸承支架內(nèi)，一個設(shè)在下主軸上端聯(lián)接兩個內(nèi)接管的軸承支架內(nèi)，上主軸由填料函體內(nèi)的填料支撐；B型泵的下主軸由三個導(dǎo)軸承支撐，兩個設(shè)在導(dǎo)葉體內(nèi)，一個設(shè)在下內(nèi)接管內(nèi)，上主軸由設(shè)在填料函體內(nèi)的一個導(dǎo)軸承支撐，屬于過定位。

圖13　A型泵上、下主軸聯(lián)接形式

圖14　B型泵上、下主軸聯(lián)接形式

A型泵上、下主軸通過兩個半聯(lián)軸器聯(lián)接（見圖13），半聯(lián)軸器與主軸為緊力配合，分別用鎖緊螺母鎖緊，兩個半聯(lián)軸器通過定位止口配合，用螺栓聯(lián)接，安裝方便，定位可靠，上、下主軸同心度能夠保證。而B型泵上、下主軸通過哈夫鎖環(huán)和整體式套筒聯(lián)軸器聯(lián)接（見圖14），套筒聯(lián)軸器用聯(lián)接卡環(huán)鎖緊。

3　結(jié) 論

A型泵和B型泵同為長軸大型混流泵，流量、揚程、轉(zhuǎn)速、軸功率、汽蝕余量等技術(shù)參數(shù)基本相同，但A型泵自安裝運行6 600小時以上仍平穩(wěn)、可靠，而B型泵運行時數(shù)不及A型泵的1/3，就出現(xiàn)水泵嚴(yán)重振動的情況，根據(jù)泵的大修發(fā)現(xiàn)，B型泵關(guān)鍵零部件的磨損及損壞是導(dǎo)致水泵振動的直接原因。

針對B型泵關(guān)鍵零部件的磨損及損壞，通過A型泵和B型泵的結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)，兩種泵的整體結(jié)構(gòu)較為相似，但結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計差異較大，B型泵局部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，抵抗主軸擺動沖擊的能力不足，是造成其導(dǎo)葉體、導(dǎo)軸承、內(nèi)接管等關(guān)鍵零部件極易磨損及損壞的重要原因，同樣也造成了抽芯檢修困難的問題。主要包括以下幾個方面。

B型泵內(nèi)接管直徑小、無加強筋結(jié)構(gòu)，強度和剛度不足；B型泵導(dǎo)葉體高，穩(wěn)定性差；導(dǎo)葉體流道外體采用不規(guī)則曲線設(shè)計，中部直徑小，導(dǎo)流體與外筒體之間堆積泥沙后，造成抽芯十分困難；B型泵導(dǎo)軸承支架尺寸小、無加強筋結(jié)構(gòu)，強度和剛度不足；B型泵填料函體與內(nèi)接管采用承插式的配合，且無螺栓聯(lián)接，易造成配合面磨損，高硬度泥沙進入導(dǎo)軸承潤滑系統(tǒng)，加劇導(dǎo)軸承磨損；B型泵支撐泵軸系的導(dǎo)軸承屬于過定位，上、下主軸采用整體式套筒聯(lián)軸器聯(lián)接，安裝不便，套筒聯(lián)軸器與主軸為間隙配合，上、下主軸同心度偏差較大。

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.24.108

TH313

A

1673-0194（2015）24-0133-04

2015-11-19