水泵聯(lián)軸器的改造

雷震彬，許大洪

（1.南寧化工集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 河池 547205）

0 引言

廣西某礦業(yè)有限責(zé)任公司選礦廠旁邊設(shè)計(jì)廠前回水塘，選礦回水全部在此匯集。回水塘旁邊設(shè)計(jì)一座泵站，泵站內(nèi)安裝四臺(tái)水泵，水泵將水塘內(nèi)回水輸送至高差70 m 的高位水池，供生產(chǎn)使用。四臺(tái)水泵中，有兩臺(tái)300S90 水泵（編號(hào)1#、2#），兩臺(tái)200D43×3 三級(jí)泵（編號(hào)3#、4#）。一般來(lái)說(shuō)，常開1#水泵和3#水泵，水量能正常滿足生產(chǎn)需要。

1 存在問(wèn)題

看水泵型號(hào)可知，1#、2#泵為單級(jí)雙吸離心泵，3#、4#泵為三級(jí)離心泵。這四臺(tái)水泵安裝的聯(lián)軸器均為彈性套柱銷聯(lián)軸器。彈性套柱銷聯(lián)軸器是利用一端裝有彈性套的柱銷，裝在兩半聯(lián)軸器凸緣孔中，實(shí)現(xiàn)兩半聯(lián)軸器連接的一種聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器曾經(jīng)是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的聯(lián)軸器，早在20 世紀(jì)50 年代末期即已制訂為機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)：JB 108-60 彈性圈柱的銷聯(lián)軸器，之后逐步升級(jí)，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4323—2017。現(xiàn)在工廠中，彈性套柱銷聯(lián)軸器應(yīng)用仍然較多，尤其適用于頻繁正反轉(zhuǎn)的設(shè)備中。

使用中，課題小組發(fā)現(xiàn)，3#水泵聯(lián)軸器的彈性套的使用壽命較短，需要定期更換。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，彈性套的平均使用壽命僅為600 h，年更換14 次。更換彈性套時(shí)需要先開起備用泵，再停故障泵，隨后更換。更換時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2 小時(shí)。更換時(shí)，還需要對(duì)聯(lián)軸器全面檢查，是否存在磨損，磨損超差了，需要一同更換。頻繁更換彈性套，不僅浪費(fèi)人力、物力，財(cái)力，浪費(fèi)時(shí)間，也不能滿足生產(chǎn)需要。

相比之下，1# 泵的聯(lián)軸器中的彈性套使用壽命長(zhǎng)，壽命為7500 ，比3#泵多6900 h。同樣是彈性套柱銷聯(lián)軸器，安裝在不同型號(hào)的水泵上，其彈性套的使用壽命相差巨大。因此，課題小組對(duì)3#泵的聯(lián)軸器進(jìn)行攻關(guān)，將所有影響因素都查找出來(lái)，制定方案進(jìn)行整改。

2 問(wèn)題分析

下面課題小組對(duì)影響聯(lián)軸器彈性套使用壽命的因素逐一進(jìn)行分析，有針對(duì)性進(jìn)行整改實(shí)驗(yàn)，以提高聯(lián)軸器的使用壽命。

2.1 彈性套與銷軸的配合性質(zhì)對(duì)壽命的影響

圖1 是未使用過(guò)的新彈性套。附圖2 是更換下來(lái)的損壞的彈性套。

圖1 新彈性套

圖2 損壞的彈性套

從圖2 可以看到，新的彈性套為圓形件，它的尺寸為φ35 mm 外徑×φ18 mm 內(nèi)徑× 10 mm 厚度。損壞的彈性套都是一側(cè)嚴(yán)重磨損，甚至磨損至開口，另一側(cè)基本上完好無(wú)損。與彈性套外圓配合的是電機(jī)的半聯(lián)軸器。在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)半聯(lián)軸器上的銷孔表面光滑，沒(méi)有磨損痕跡。與彈性套內(nèi)孔配合的是銷軸，配合處比較光亮，有偏磨的痕跡。根據(jù)這些表象，我們初步判斷為彈性套損壞原因是銷軸與彈性套配合過(guò)松。如果銷軸與彈性套配合過(guò)松，受力中，兩者之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，發(fā)生相互摩擦，摩擦產(chǎn)生磨損，致使損壞。于是，將它們之間的配合性質(zhì)進(jìn)行改變，原來(lái)的配合為過(guò)渡配合，我們改為過(guò)盈配合。過(guò)盈量為0.3 ～0.4 mm[1]。

將銷軸與彈性套的配合改為過(guò)盈配合后，彈性套的使用壽命提高到了900 h，比之前多300 h。對(duì)聯(lián)軸器檢查，依然是彈性套內(nèi)孔一側(cè)嚴(yán)重磨損，銷軸輕微磨損。

實(shí)驗(yàn)證明，銷軸與彈性套的配合性質(zhì)不是影響彈性套的主要因素。

2.2 彈性套材質(zhì)對(duì)壽命的影響

彈性套作為聯(lián)軸器重要零件，將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給水泵，受力很大。如果材質(zhì)選用不當(dāng)，必將會(huì)影響其使用壽命。我們廠彈性套的材質(zhì)為耐油橡膠，這種材質(zhì)除了具有較高的彈性和耐磨性外，還具有較好的耐油性。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，維修設(shè)備中，彈性套可能會(huì)沾到油脂。彈性套的材質(zhì)選用耐油橡膠，就可以避免油脂對(duì)彈性套的腐蝕，避免油脂對(duì)彈性套的不良影響。現(xiàn)在耐油橡膠彈性套安裝在3#泵上，使用壽命低。通過(guò)查閱相關(guān)資料，一致認(rèn)為，彈性套材質(zhì)改為聚氨脂會(huì)更好。

聚氨脂是一種高分子材料，抗壓強(qiáng)度比耐油橡膠高。聚氨脂既耐磨，又有彈性，同時(shí)也耐油脂腐蝕[2]。聚氨脂作為彈性套，比耐油橡膠好。市場(chǎng)上可以購(gòu)買到這種產(chǎn)品。將聚氨脂彈性套裝到水泵上使用，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，聚氨脂彈性套的使用壽命為1240 h。

實(shí)驗(yàn)證明，彈性套的材質(zhì)無(wú)論是耐油橡膠，還是聚氨脂，對(duì)其使用壽命的影響不大，不是影響壽命的主要因素。

2.3 彈性套厚度對(duì)壽命的影響

3#水泵安裝的聯(lián)軸器是標(biāo)準(zhǔn)的彈性套柱銷聯(lián)軸器，它的φ216 mm 圓周上均勻分布10 個(gè)柱銷，每個(gè)柱銷上套放了4 個(gè)彈性套，10 個(gè)柱銷上套放了40 個(gè)彈性套。彈性套的尺寸為φ35 mm 外徑×φ18 mm 內(nèi)徑× 10 mm 厚度，它的厚度薄，體積小，變形量有限，不可能發(fā)生較大變形。如果受力較大，產(chǎn)生了較大變形，就會(huì)加速其損壞。單個(gè)彈性套體積小，容易損壞，將4 個(gè)彈性套合在一起，變成一個(gè)彈性圓環(huán)，體積增大了，抵抗變形的能力會(huì)得到提高，不易損壞。

將標(biāo)準(zhǔn)的彈性套改為非標(biāo)的彈性圓環(huán)，是一種大膽的探索。通過(guò)供應(yīng)商采購(gòu)聚氨脂材質(zhì)的彈性圓環(huán)。應(yīng)用后，彈性圓環(huán)的使用壽命1600 h。實(shí)驗(yàn)證明，彈性套厚度不是影響其壽命的主要因素。

2.4 水泵與電機(jī)的同軸度對(duì)彈性套壽命的影響

如果水泵軸線與電機(jī)軸線的同軸度超差，會(huì)在聯(lián)軸器上產(chǎn)生很大的應(yīng)力，會(huì)造成聯(lián)軸器銷軸與彈性套之間有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加劇它們之間磨損，彈性套容易損壞。水泵廠家要求，水泵與電機(jī)的同軸度小于0.1 mm。

對(duì)3#泵聯(lián)軸器進(jìn)行檢查。聯(lián)軸器加工精度較高，銷孔的內(nèi)壁光滑，分布均勻，不會(huì)影響到泵與電機(jī)的正常使用及彈性套的使用壽命。然后，對(duì)聯(lián)軸器安裝精度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，電機(jī)中心線比泵中心線高0.15 mm，左右偏離0.09 mm。對(duì)照廠家要求，同軸度超差，需要調(diào)整。我們使用百分表，以水泵半聯(lián)軸器為基準(zhǔn)，測(cè)量電機(jī)半聯(lián)軸器的外圓及端面的跳動(dòng)。通過(guò)調(diào)整墊片厚度，通過(guò)左右移動(dòng)電機(jī)位置，保證電機(jī)半聯(lián)軸器的跳動(dòng)度在0～0.06 mm[3]。

精確校好了水泵與電機(jī)的同軸度，保證水泵及電機(jī)安裝符合廠家安裝要求，然后開機(jī)運(yùn)行。這次，聯(lián)軸器的彈性套的使用壽命為1800 h。

實(shí)驗(yàn)證明，水泵與電機(jī)同軸度也不是影響聯(lián)軸器彈性套的主要因素。

2.5 泵軸竄動(dòng)對(duì)彈性套壽命的影響

1# 水泵與3# 水泵聯(lián)軸器的型號(hào)都是彈性套柱銷聯(lián)軸器，但它們的彈性套的使用壽命相差巨大。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：1#水泵聯(lián)軸器彈性套的使用壽命7500 h，它是單級(jí)雙吸離心泵。這種水泵內(nèi)的葉輪是由2 個(gè)葉輪背靠背鑄成，因而葉輪受到的軸向推力相互抵消，達(dá)到平衡，泵軸上沒(méi)有軸向推力。泵軸由2 個(gè)深溝滾子軸承支承，固定可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)中，泵軸沒(méi)有軸向竄動(dòng)。而3#水泵為三級(jí)離心泵，泵軸上裝有3 個(gè)葉輪，3個(gè)葉輪依次串在一起。我們對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的水泵泵軸進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)泵軸一直處于軸向竄動(dòng)狀態(tài)。一會(huì)向傳動(dòng)端竄動(dòng)，一會(huì)向非傳動(dòng)端竄動(dòng)，竄動(dòng)的位移1～3 mm不等。

泵軸的竄動(dòng)是對(duì)泵軸軸向力的自動(dòng)平衡[4]。原來(lái)，泵軸上安裝了3 個(gè)葉輪和1 個(gè)平衡盤。由于3 個(gè)葉輪的前后蓋板的形狀不對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向力。這個(gè)軸向力指向泵的傳動(dòng)端（吸入端），使泵軸及葉輪向傳動(dòng)端竄動(dòng)。為了防止竄動(dòng)造成葉輪與泵體碰撞損壞，在泵軸后端設(shè)計(jì)安裝了1 個(gè)平衡盤，通過(guò)平衡盤與泵體之間形成的空間的液體壓力的變化，來(lái)控制泵軸的竄動(dòng)，達(dá)到泵軸的軸向力的平衡。

泵軸的竄動(dòng)平衡了軸向力，避免水泵零件碰撞損壞，讓水泵穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，可對(duì)聯(lián)軸器的彈性套不利。彈性套會(huì)受到竄動(dòng)的影響，不斷與銷軸摩擦，摩擦產(chǎn)生磨損，最后導(dǎo)致彈性套損壞。因此可以判斷泵軸的竄動(dòng)是彈性套損壞的主要原因。

其實(shí)，不管彈性套的形狀尺寸如何改變，工作中，彈性套的一側(cè)始終處于受擠壓狀態(tài)，另一側(cè)則處于自由狀態(tài)。受擠壓那一面同時(shí)受到泵軸的軸向力和徑向力作用，逐漸疲勞，逐漸磨損，較快失效。

為了有效提高聯(lián)軸器的使用壽命，降低其故障率，決定對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行改造。

3 新聯(lián)軸器的選用

鑒于3#水泵泵軸存在軸向竄動(dòng)，竄動(dòng)是聯(lián)軸器上的彈性套損壞的主要原因。因而我們決定不再使用彈性套柱銷聯(lián)軸器，另選其它聯(lián)軸器，所選的聯(lián)軸器必須具有適應(yīng)泵軸竄動(dòng)而不損壞的功能。考慮到聯(lián)軸器存在制造誤差和安裝誤差及聯(lián)軸器必須加工方便，安裝方便，維修方便，我們決定將水泵的聯(lián)軸器改為彈性柱銷聯(lián)軸器。

彈性柱銷聯(lián)軸器是利用若干非金屬?gòu)椥圆牧现瞥傻闹N，置于兩半聯(lián)軸器凸緣孔中，通過(guò)柱銷實(shí)現(xiàn)兩半聯(lián)軸器聯(lián)接的一種聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是，額定轉(zhuǎn)矩大，適應(yīng)大功率設(shè)備使用[5]。同時(shí)，能適應(yīng)泵軸的竄動(dòng)，柱銷在泵軸的竄動(dòng)中受到的損傷極小。柱銷的材質(zhì)一般選尼龍6。彈性柱銷聯(lián)軸器外形圖如圖3。

圖3 彈性柱銷聯(lián)軸器外形

對(duì)彈性柱銷聯(lián)軸器進(jìn)行計(jì)算選型。

電機(jī)功率160 kW，額定轉(zhuǎn)速1450 r/min，其額定轉(zhuǎn)矩為：

式中：p為電機(jī)功率，kW；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

新聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩：

式中，K為工況系數(shù)，水泵為重負(fù)荷機(jī)械，K取2.75。

考慮水泵軸軸頭直徑為65 mm，電機(jī)軸頭80 mm，根據(jù)GB/T 5014—2017 彈性柱銷聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)，選用LX6 型聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為6300 N·m[6]。聯(lián)軸器的外徑280 mm，柱銷所在圓周的直徑218 mm，柱銷直徑42 mm，10 個(gè)柱銷均布。

4 新聯(lián)軸器的使用壽命

彈性柱銷聯(lián)軸器在200D43×3 水泵（3#）上的安裝如圖4 所示。

圖4 彈性柱銷聯(lián)軸器安裝

新聯(lián)軸器安裝使用以后，水泵運(yùn)行狀態(tài)良好。新聯(lián)軸器是以尼龍柱銷逐漸磨損，最后折斷而失效的。它的使用壽命為6120 h，比初始使用彈性套柱銷聯(lián)軸器的壽命（600 h）多5520 h，提高了10.02 倍。

5 結(jié)語(yǔ)

彈性套柱銷聯(lián)軸器在選礦廠200D43×3 水泵上使用，彈性套的使用壽命低，需要頻繁更換，不能滿足生產(chǎn)要求。通過(guò)查找，找出影響彈性套使用壽命的5 個(gè)因素，其中，主要因素是水泵泵軸的軸向竄動(dòng)。

將水泵改造為彈性柱銷聯(lián)軸器后，使用壽命比原聯(lián)軸器提高10.02 倍。說(shuō)明此次聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)型改造是成功的，彈性柱銷聯(lián)軸器比彈性套柱銷聯(lián)軸器更適合在200D43×3 水泵上使用。