酯化物齒輪泵齒輪端面異常磨損分析及對策

張勝國，傅立峰，王國軍，王振山，楊鵬亮

（1.榮盛石化股份有限公司，河南鄭州 450000；2.鄭州機械研究所有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

酯化物泵作為酯化物生產工藝中重要的部件，直接影響著整個生產工藝的安全穩定運行。酯化物泵通常為外嚙合齒輪泵，其結構主要由主動齒輪、從動齒輪、泵體、泵蓋和安全閥等組成，泵體、泵蓋和齒輪構成的密封空間就是齒輪泵的工作室。運行過程中，主動齒輪和從動齒輪相互嚙合，嚙合線將高壓區和低壓區隔開，隨著齒輪的轉動，密封容積隨之產生變化，從而達到輸送一定能量的液體的目的。

公司CP2聚酯裝置共配有3臺瑞士馬格（MAAG）公司生產的CSS140/180型酯化物泵，按照生產工藝的需要，生產過程中一般要求3臺酯化物泵同時運行。當某臺發生故障時，另外2臺保持運行，可以保證整個生產裝置在設計的基本負荷下繼續安全穩定運行。然而，在運行3 a后，3臺齒輪泵相繼出現了效率下降的情況，無法滿足正常的生產要求。在對齒輪泵進行解體檢查后，發現齒輪端面磨損非常嚴重。為此，結合CSS140/180型酯化物泵的實際運行狀況，對齒輪端面異常磨損的現象進行研究，分析齒輪端面異常磨損的原因，提出相應對策，在后續生產過程中提高酯化物泵的使用壽命，節省運行維護成本，提高生產工藝的整體效益。

1 泵的基本情況

公司生產工藝采用的泵為馬格公司生產的CSS140/180型酯化物泵，3套備件中1套為馬格公司原裝進口備件，另外2套為在鄭州機械研究所有限公司定制的國產備件。

（1）運行參數。輸送介質：酯化物；出口壓力11 kg/cm2；入口壓力3.4 kg/cm2；運行溫度290℃；操作溫度下黏度（0.005～0.15）Pa·s；轉速可由變頻驅器調整，運行轉速（75～175）r/min。

（2）部件材料。MAAG齒輪：AISI 440C熱處理到硬度（55～58）HRC；MAAG軸承：馬格L28軸承類型。軸承應采用不銹鋼和碳套筒。與齒輪接觸的軸承面應涂上鎢鉻鈷合金；國產備件：馬氏體不銹鋼，軸頸堆焊司太立硬質合金；軸承：工具鋼（曾經使用過銅鋁合金，但壽命較短）

2 運行情況

為保證生產過程安全穩定，運行中要求泵的出口壓力穩定，而出口壓力可以通過調整齒輪泵的轉速來進行調節。在線運行一段時間后，原裝泵及備件均出現了轉速升高的現象。國內定制備件甚至出現了過載電機跳停，不能在使用的情況。以C臺為例，運行故障及檢修情況見表1。通過對泵的運行情況進行統計，并對齒輪泵進行解體發現齒輪端面磨損嚴重，磨損量達到1 mm，更甚者達到3 mm。

表1 酯化物齒輪泵運行故障及檢修情況

3 故障分析

3.1 齒面磨損

齒輪泵的齒輪嚙合傳動時，兩個漸開線齒廓之間存在著相對滑動，在載荷作用下，齒面間會引起齒面磨損。嚴重的磨損將使齒面漸開線齒形失真，齒側間隙增大，從而產生沖擊和噪聲，甚至發生齒輪折斷。齒輪齒面的磨損可以分為正常磨損、麻點磨損和粘附磨損等幾種。

圖1 齒輪泵的徑向間隙與端面間隙

無論何種形式的齒輪端面磨損均會導致齒寬減小，由于外嚙合齒輪泵輸送量與齒寬成正比，因此齒輪泵的輸送量降低。此外，由于軸承不具有軸向補償功能，一旦齒輪端面或軸承端面磨損將增大軸向泄漏，形成內部泄漏。齒輪泵的徑向間隙與端面間隙如圖1所示，其中，δr為徑向間隙，δd為軸向間隙。齒輪端面磨損會導致配合間隙增大，形成沿軸向間隙的泄漏，也稱為軸向泄漏。軸向泄漏是外嚙合齒輪泵泄漏的主體，約占總泄漏量的70%。由于軸向泄漏與軸向間隙的立方成正比，因此軸向間隙增大是導致外嚙合齒輪泵效率下降的主要原因。

3.2 磨損原因分析

公司生產運行過程中，齒輪泵效率下降，負荷升高的原因，主要是由于齒面磨損造成的，導致齒輪端面磨損原因主要有5個方面。

（1）潤滑問題。齒輪泵內部摩擦副是依靠輸送的介質來實現潤滑和冷卻的。由于輸送的介質黏度低，齒輪泵的工作轉速低，在齒輪端面與滑動軸承端面之間不能形成穩定的潤滑液膜。而軸承穩定運行的條件是軸承摩擦副必須形成穩定的液膜。

（2）摩擦副材料。鋼的種類有多種，不同的工作條件和工作環境要求的摩擦副材料也不相同。如尺寸較大的齒輪常用鑄鋼，輕載的開式齒輪傳動中常用灰鑄鐵。摩擦副材料的選擇會對其工作性能和壽命產生直接影響。公司采用的酯化物泵中國產備件材料為馬氏體不銹鋼，軸承材料為工具鋼，在操作溫度下，兩種材料硬度相差較大，直接接觸會對齒輪端面產生明顯的切削作用。

（3）部件加工質量。齒輪加工工藝對齒輪的工作平穩性具有較大影響。工作平穩性等級較高的齒輪不僅具有較長的使用壽命，而且運行過程中的沖擊小、振動弱、噪聲低。通過對齒輪泵進行解體發現軸承端面潤滑油槽無倒圓，過于鋒利，影響工作平穩性。

（4）裝配問題。齒輪裝配后固定不動的一般采用過盈配合進行裝配，滑動齒輪的裝配一般用間隙配合進行裝配。當軸承預緊力過高，運行過程中會產生過熱抱軸，造成傳動停止的現象。當軸承預緊力過小，傳動軸無法起到定位的作用，在受力的狀況下齒輪嚙合區會發生變化，降低使用壽命。

（5）運行中存在問題。齒輪泵在設計時考慮系統應力，齒輪泵位置不固定，但其位置變化有一限值，通過管道滑動支撐實現。在運行過程中，齒輪泵管線系統存在振動，導致齒輪泵與驅動減速機之間存在著相對位移。十字軸萬向聯軸器并不能消除這一軸向距離變化量。造成齒輪端面與軸承端面的直接接觸，這是最主要的一個原因。

4 措施

通過對酯化物齒輪泵在運行過程中存在的問題進行分析，可以實施以下改進措施，以延長使用壽命，保證穩定生產。

4.1 齒輪材料進行恰當的熱處理

齒輪材料的選擇是前提，熱處理方法得當是關鍵。熱處理方法主要有表面淬火、滲碳淬火、滲氮、正火以及調質。表面淬火的特點是抗疲勞點蝕、抗膠合能力高，耐磨性好。滲碳淬火常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動中。滲氮是一種表面化學熱處理，處理后的齒輪硬度高，變形小，適用于內齒輪和難以磨削的齒輪。正火可以消除內應力，細化晶粒，改善力學性能和切削性能。調質則一般用于中碳鋼，經過調質處理后的齒輪硬度一般為（220～280）HBS。可以通過選擇適用的熱處理工藝降低齒輪齒面的磨損現象。

4.2 齒輪泵裝配時熱態調整軸向間隙

調整齒輪泵內的軸向間隙至最佳間隙，使泄漏損失與摩擦損失之和最小。增大間隙，會使粘性摩擦損失功率減小，但泄漏損失增大；減小間隙，雖然減小泄漏損失，但又使粘性摩擦損失增大。最佳軸向間隙δd可按公式1估算。一般控制軸向間隙在0.1 mm左右。

式中Re——齒頂圓半徑，m

μ——介質的動力黏度，Pa·s

n——泵轉速，r/min

p——泵全壓力，MPa

4.3 對齒輪泵熱態定位

待系統升溫到位，待系統熱平衡4 h后，對齒輪泵進行固定、定位，這樣既可以平衡管道應力，又可以消除運行過程中導致齒輪泵與驅動減速機之間的距離變化的根源。也可以將泵與減速機和電機固定在同一基礎上。

調整齒輪泵驅動齒輪軸與減速機輸出軸對中，豎直方向（+0～-15）mm，水平方向±5 mm。

4.4 操作運行

（1）規范操作避免關閉進出口閥門啟動齒輪泵。關閉入口閥啟動，會造成汽蝕或抽空；關閉出口閥會憋壓。兩種情況都會造成嚴重的機械損壞。

（2）避免頻繁啟動，齒輪泵內部摩擦副采用動壓潤滑，在啟動和停機時處于干摩擦狀態，頻繁啟動不利于齒輪泵長期穩定運行。

（3）穩定在齒輪泵額定工況運行。齒輪泵摩擦副冷卻靠輸送介質回流實現，出口壓力太低，會使摩擦副溫度升高，不利于齒輪泵長期穩定運行。

5 結語

（1）公司采用馬格公司生產的CSS140/180型酯化物原裝泵及國產備件在運行過程中均出現了轉速升高，效率下降，負荷升高等問題，對齒輪泵進行解體發現齒輪端面磨損嚴重，磨損量達到1 mm，更甚者達到3 mm。

（2）導致齒輪端面磨損原因主要有潤滑問題、摩擦副材質、部件加工質量、裝配問題、以及運行工況等因素造成。

（3）通過對齒輪材料進行恰當的熱處理，裝配時熱態調整軸向間隙，對齒輪泵進行熱態定位，以及在運行過程中規范操作，新定制的國產齒輪與軸承備件在線壽命理論上可以延長至3 a，滿足生產穩定運行的要求。