蒸煮鍋藥液置換泵防軸斷裂新型結構的設計應用

黃海龍

摘 要：主要介紹藥液置換泵防止軸斷裂的葉輪與軸新型連結方式。解決軸斷裂現象，延長設備的使用壽命，消除現場的生產安全隱患，有效保障蒸煮生產的連續性。

關鍵詞：軸;葉輪;疲勞斷裂;大螺距矩形牙;焊接

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.024

青山紙業漿粕制漿系統蒸煮區3臺藥液置換泵，用于漿粕生產中蒸煮鍋蒸煮木片時置換藥液，蒸煮鍋內處于溫度、壓力變化大，內部介質呈酸堿變換的復雜工況。自2012年1月投入使用，平均5至6個月發生軸斷裂的事故，前襯及葉輪磨損大，機械密封壞，均無法再次使用，直接經濟損失大并造成無法連續生產。

1 基本結構、性能參數

原泵為單級單吸蝸殼離心泵，型號SP250-600.4，電機功率400kw，轉速n=1500r/min，揚程90m，流量860m3/h。泵與電機用膜片聯軸器直聯，葉輪與軸材料均為雙相鋼S22053，采用普通平鍵的連接方式;半開式葉輪直徑604毫米（4個葉片），懸臂式軸承架聯軸器側軸承7322兩個，葉輪側軸承NU322一個，約翰克朗JCS2-100雙端面機械密封1套。

2 故障分析

藥液置換泵運行后泵出口壓力須保持高于蒸煮鍋內的壓力（8kg/cm2），泵出口的氣動控制閥急停急開，葉輪在高速旋轉下，藥液反作用于葉輪，葉輪與軸之間形成大的沖擊力。裂紋首先產生于鍵槽側邊，微小裂紋逐步擴大后造成突然的斷裂，斷口表面裂紋源、粗糙區、光滑區特征明顯，符合疲勞斷裂理論的描述，故障屬于交變應力下的疲勞斷裂。

3 改造技術方案

新的技術方案是改變葉輪與軸頭的普通平鍵的連接形式，采用大螺距的矩形牙（圖1、2）連接，螺紋連接分散了葉輪與軸連接間的應力集中。

3.1 螺紋尺寸的確定

（1）平鍵規格B25x14，在實際運行中與葉輪配合可以滿足使用要求，轂槽沒有損壞，轂槽深5.4毫米，因此牙厚仍選用25毫米，牙深5毫米（圖1），此處不做擠壓強度校核。

（2）與葉輪配合和軸徑尺寸校核：與葉輪配合的軸直徑90毫米，鍵槽深9毫米，有效受力直徑 （ -9）x2=72毫米。

已知軸轉速n=1500r/min，傳遞功率400kw，鎖緊螺紋M42，材料雙相鋼S22053的扭轉許用切應力[τ]=50MPa（由成大先《機械設計手冊》軸篇推導出的近似值），求實心軸直徑d及內外徑比為0.58（42÷72=0.58）空心軸的外徑D。

由上述計算得知，實心軸最小直徑63.4毫米，空徑比為0.58的空心軸的最小直徑為66.4毫米，均小于72毫米，說明原軸在一般條件下運行是可行的。

（3）軸頭受力比較（螺紋小徑取75毫米大于原軸有效直徑72毫米，簡單受力分析差別忽略不計）：軸的受力由原先的徑向分布改變為垂直于螺牙的受力方向（圖2），合力與徑向力夾角α=70.6°，cos70.6°=0.33，徑向的受力僅為合力的0.33倍，約1/3;牙厚25毫米、牙距60毫米的設計，使得螺紋總長約500毫米，去除加工牙自然形成的漸入角不計，牙厚25毫米的螺紋線長約320毫米（1個螺距的螺紋線周長約250毫米），是原平鍵長度105毫米的3倍，單位長度的矩形牙平均受力為原軸平鍵的1/3。

綜上所述，最終改造技術方案為軸的螺紋小徑75毫米，牙高5毫米，螺紋大徑85毫米，保留軸頭尺寸90毫米，形成1個小的直口與葉輪配合，保證葉輪安裝后的對中性。

3.2 軸頭與葉輪的螺紋應成對加工以保證連接配合公差的可靠性

鎖緊螺桿M42x4.5不采用止退墊的鎖止方式（防止葉輪間斷啟動工作可能造成止退墊的失效），而是與葉輪焊接連接，即將葉輪螺緊軸頭后，再上緊鎖緊螺桿，最后把鎖緊螺桿與葉輪接合面斷焊焊接，主要的作用是利用其與軸頭螺距的不同形成自鎖，不致造成葉輪的松脫。

4 結論

泵損壞后，無法與蒸煮鍋中的藥液置換，30噸的木片煮成漿后，后續困擾漂白工藝，不合格的漿進入系統后，造成質量不合格的漂白漿粕100-150噸成品漿，損失60萬元以上。此項技術在2016年11月在3#藥液置換泵中安裝使用，至2019年6月沒有發生過故障。1#藥液置換泵于2017年12月、2#藥液置換泵于2018年6月分別更換新型結構的泵，每臺改造成本約3萬元， 3臺置換液泵每年節約維修費用12萬元，如重新選型，3臺套設備總價約400萬元。此項防軸斷裂新型結構技術在生產實踐中的成功運用，節約了維修費用，避免了計劃外檢修造成的不能連續生產的安全隱患，經濟效益十分顯著，也為舊設備改造提供了新的思路。

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