浸入式離心泵斷軸分析方法淺析

蔣雄強(qiáng)

（南方泵業(yè)股份有限公司，浙江杭州 311228）

0 引言

在化工石油行業(yè)生產(chǎn)中，原料、半成品和成品大多數(shù)是液體，泵不僅起輸送液體和提供化學(xué)反應(yīng)壓力及流量的作用，而且在很多裝置中還用來調(diào)節(jié)溫度，一旦出現(xiàn)故障往往會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)停止工作。因此，有人把泵比喻為化工工藝流程中的“心臟”。

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及智能水泵、數(shù)字水泵、鋰電泵等專業(yè)商用泵的制造工藝技術(shù)水平不斷進(jìn)步，家庭排水、農(nóng)田水利、飲水安全工程、商業(yè)配套等下游領(lǐng)域?qū)λ玫膽?yīng)用不斷擴(kuò)大，需求量逐年增加。2018—2024 年，年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.81%，2024 年水泵市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)到665 億美元。

目前我國(guó)水泵生產(chǎn)廠家數(shù)量達(dá)6000 多家，但規(guī)模以上企業(yè)只有約1300 家，大部分水泵廠家生產(chǎn)規(guī)模小、經(jīng)營(yíng)粗放、技術(shù)水平低、工藝和裝備相對(duì)落后，沒有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，水泵品牌知名度低。近年來，國(guó)內(nèi)水泵生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)能力和生產(chǎn)技術(shù)水平取得了較大進(jìn)步，從傳統(tǒng)的單體制造生產(chǎn)線向智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變，并大大拉動(dòng)制造業(yè)中自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的需求。目前我國(guó)行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)的產(chǎn)品，已接近世界同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

1 QC 改善過程

1.1 立項(xiàng)原因

2021 年3 月，某辦事處反饋客戶現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生了泵軸斷裂事故，為同批次的同一款浸入式多級(jí)離心泵。統(tǒng)計(jì)公司2020 年度出廠水泵數(shù)量、故障類型及故障頻次，運(yùn)用柏拉圖數(shù)據(jù)表格進(jìn)行兩次分析，能夠充分反映出“少數(shù)關(guān)鍵、多數(shù)次要”的規(guī)律，尋找主要因素、抓住主要矛盾。一次分析以多級(jí)泵工廠3 種機(jī)型為例，立式泵、臥式泵和浸入式多級(jí)離心泵均發(fā)生過斷軸事故，但立式泵和臥式泵的出貨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浸入式多級(jí)離心泵，但從過去的12 個(gè)月數(shù)據(jù)來看，浸入式多級(jí)離心泵的故障數(shù)量卻高于其他機(jī)型。二次分析浸入式多級(jí)離心泵不同級(jí)數(shù)的斷軸比例，發(fā)現(xiàn)4-140 型水泵斷軸頻次最高，且與2021 年3 月反饋軸斷裂事故為同批次的同一款浸入式多級(jí)離心泵，故選定該型號(hào)為本次QC質(zhì)量改善的突破口，進(jìn)行全面的分析。

1.2 目標(biāo)設(shè)定

結(jié)合公司內(nèi)部全面質(zhì)量管理要求，抓質(zhì)量不僅僅是抓生產(chǎn)制造的質(zhì)量，更是從源頭抓起，貫穿于從設(shè)計(jì)開始一直到售后服務(wù)的全過程，動(dòng)員全體員工、參與這項(xiàng)活動(dòng)，要以顧客為關(guān)注的中心來開展活動(dòng)，以更高的質(zhì)量服務(wù)要求，完成4-140 型浸入式多級(jí)離心泵的斷軸不良零化。

探索質(zhì)量管理發(fā)展5 個(gè)階段，目前處于一個(gè)混合階段：

第一階段，質(zhì)量檢驗(yàn)階段，以質(zhì)量檢驗(yàn)把關(guān)為主，是從半成品或產(chǎn)品中間挑出廢品和次品，是一種事后把關(guān)式的管理，它依靠的是檢查人員的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心。

第二階段，統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制階段，適應(yīng)生產(chǎn)力大發(fā)展的要求，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，從而采取處理措施，把質(zhì)量檢驗(yàn)發(fā)展到由事后把關(guān)變成事前控制。

第三階段，全面質(zhì)量管理階段，一種“全攻全守”型的階段。

第四階段，質(zhì)量保證階段，一切應(yīng)該做的事情訂立成質(zhì)量手冊(cè)，通過程序文件以及一系列的質(zhì)量表格文件來控制。

第五階段，零缺陷的質(zhì)量管理，目標(biāo)是第一次就把事情做對(duì)，而且把每次做對(duì)作為奮斗方向。

1.3 現(xiàn)況分析

（1）現(xiàn)況原因初步分析。采用頭腦風(fēng)暴，小組人員在正常融洽和不受任何限制的氣氛中以會(huì)議形式進(jìn)行討論、座談，打破常規(guī)，積極思考、暢所欲言，充分發(fā)表看法。結(jié)合4M 檢核法，即“人—機(jī)—料—法”分析法，增加產(chǎn)品制造及使用過程中所處的環(huán)境分析，展開分析浸入式多級(jí)離心泵斷軸的潛在原因有泵軸設(shè)計(jì)尺寸及強(qiáng)度合理性、生產(chǎn)過程中的裝配一致性的工藝能力、水泵裝配過程的熟練度、拉桿鎖附扭力值的管控裝配平臺(tái)合理性、裝配工治具有效性、泵軸圓鋼材料選型及加工方式的合理性等。

通過擴(kuò)大不良因素、保留單一變量進(jìn)行故障的模擬再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主體為4-140 型浸入式水泵，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，驗(yàn)證內(nèi)容見表1。

表1 故障的模擬再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)

圖1 離心泵結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)生斷軸故障，為探究故障真因，成立小組，運(yùn)用質(zhì)量管理的理論和方法開展斷軸問題的分析及處理。

（2）泵軸設(shè)計(jì)合理性確認(rèn)。根據(jù)水泵電機(jī)功率，轉(zhuǎn)速，運(yùn)用公式T=9565×P/n 及軸尺寸計(jì)算公式，計(jì)算出電機(jī)扭矩為1.8 N·m、泵軸直徑設(shè)計(jì)值為12 mm、扁軸處寬度設(shè)計(jì)值為10 mm，判定設(shè)計(jì)合理。

（3）泵軸應(yīng)力模擬分析。運(yùn)用Solid Works 軟件確定扁軸連接處為應(yīng)力集中點(diǎn)，模擬運(yùn)行處于臨界值最高點(diǎn)，符合斷軸位置。

（4）工廠人員熟練度調(diào)查。裝配人員平均工齡均大于3 年，崗位應(yīng)會(huì)考核均通過。

（5）水泵裝配扭矩一致性確認(rèn)。拉桿M10 和鎖緊螺母M8 的設(shè)計(jì)扭矩分別為18～23 N·m、25～30 N·m，工廠量測(cè)10 臺(tái)份拉桿及鎖緊螺母扭矩均符合設(shè)計(jì)要求且Cp（過程能力指數(shù)）值穩(wěn)定，擰緊工具符合周期性標(biāo)定。

（6）裝配工裝水平度調(diào)查。對(duì)生產(chǎn)線的移動(dòng)裝配平臺(tái)板進(jìn)行水平度量測(cè)統(tǒng)計(jì)，水平度均小于0.55°，且同一流水線其他產(chǎn)品未發(fā)現(xiàn)斷軸故障。

（7）工治具使用情況。移動(dòng)裝配平臺(tái)板上泵軸及泵頭的定位工裝部分存在水平晃動(dòng)問題，未及時(shí)檢修，作業(yè)指導(dǎo)書規(guī)范了聯(lián)軸器調(diào)節(jié)工裝使用及盤車動(dòng)作，質(zhì)量及技術(shù)部對(duì)庫存泵進(jìn)行隨機(jī)開箱盤車檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的10 臺(tái)泵中，存著盤動(dòng)困難。

（8）導(dǎo)葉配合尺寸調(diào)查。歪斜原因?yàn)閷?dǎo)葉止口尺寸間隙+平面跳動(dòng)累積，根據(jù)導(dǎo)葉外殼同心度測(cè)量水泵導(dǎo)葉10 級(jí)累積值為2.63 mm。

（9）泵頭尺寸量測(cè)。泵頭配合安裝面設(shè)計(jì)圓跳動(dòng)小于0.025 mm，實(shí)測(cè)均值為0.08 mm、偏大超差。泵頭是連接電機(jī)及泵體的重要零部件，影響泵軸與電機(jī)軸的同心度。

（10）泵軸材料特性。棒材廠商及第三方檢測(cè)提供的材料特性報(bào)告，包含硬度、抗拉強(qiáng)度及理化分析數(shù)據(jù)，均符合NFJSS13—2020-A0 不銹鋼圓棒技術(shù)規(guī)格書，供應(yīng)商除在原料端進(jìn)行抽檢PMI 確認(rèn)鋼種外，后續(xù)生產(chǎn)流程每捆料的流轉(zhuǎn)均有嚴(yán)格ID 管控，每工序包括標(biāo)識(shí)管理，噴漆鋼種識(shí)別管理，同平臺(tái)不可拆兩捆棒材，以確保鋼種無誤，廠內(nèi)棒材分為兩家供應(yīng)商，成品泵軸無標(biāo)識(shí)，無法精準(zhǔn)溯源。

（11）泵軸軸肩的寬度設(shè)計(jì)值為9.85～10.00 mm，實(shí)際量測(cè)為9.85 mm、偏下差但符合設(shè)計(jì)要求，Cp值為2.11，直線度小于設(shè)計(jì)值0.02 mm/（100 mm）。

（12）斷軸水泵運(yùn)行環(huán)境。泵軸斷裂4 臺(tái)的液體介質(zhì)明確為乙二醇水溶液，乙二醇對(duì)金屬具有一定腐蝕性，不同濃度的溶液對(duì)金屬的腐蝕能力有所差異。用抹布仔細(xì)擦拭泵軸試樣，表面光亮如新，未見明顯的腐蝕麻點(diǎn)等表面缺陷。售后資料缺乏運(yùn)行溫度、壓力、流量、啟動(dòng)頻次及出廠日期等工況的統(tǒng)計(jì)，特殊情況NG 水泵須進(jìn)廠拆解分析。

1.4 要因分析及對(duì)策制定實(shí)施

1.4.1 組合工裝晃動(dòng)

生產(chǎn)線部分裝配工裝晃動(dòng)損壞，泵軸與泵頭裝配無定位，導(dǎo)致泵軸與電機(jī)軸不同心。原有定位銷式工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同型號(hào)需更換定位銷，且安裝時(shí)需對(duì)孔，重新設(shè)計(jì)內(nèi)止口式工裝，但導(dǎo)葉級(jí)數(shù)越大、尺寸鏈越長(zhǎng)，累積誤差加大。泵體進(jìn)水體模擬轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)圓跳動(dòng)最大值為5.7 mm，平面跳動(dòng)最大值為0.78 mm，新增壓緊設(shè)備，保證拉桿鎖付時(shí)進(jìn)水體與泵頭的同心度。組合工裝設(shè)備整改完成，進(jìn)水體圓跳動(dòng)及平面跳動(dòng)改善明顯，進(jìn)水體圓跳動(dòng)控制在3 mm 以下、平面跳動(dòng)低于0.5 mm，優(yōu)化改善提升40%（表2）。

表2 CDLK 4-140 型水泵改善前后進(jìn)水體跳動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比 mm

1.4.2 泵頭圓跳動(dòng)不良

泵頭圓跳動(dòng)不良的原因主要有3 個(gè)：

（1）加工夾具造成的誤差，現(xiàn)有路線第一序加工電機(jī)口所有尺寸，第二序加工過水端所有尺寸。

（2）檢測(cè)誤差，檢測(cè)的方法是使用定尺寸盤，人工旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，每個(gè)人的操作誤差在0.02 mm 左右。

（3）定位面變形及毛刺誤差，前者是因電機(jī)安裝面的螺紋安裝孔，鉆孔變形及毛刺造成的定位誤差，而后者的工藝優(yōu)化難度較大、待進(jìn)一步處理。

1.4.3 水泵盤動(dòng)困難

水泵盤動(dòng)困難的原因及應(yīng)對(duì)措施主要有：首先是作業(yè)遺漏，無法探測(cè)是否進(jìn)行盤動(dòng)作業(yè)，很難進(jìn)行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)管理，技術(shù)部定期開展工藝一致性檢查工作；其次是標(biāo)準(zhǔn)不一致，水泵裝配完成后人工進(jìn)行盤動(dòng)判定，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性判定結(jié)果因人而異，新增水泵盤動(dòng)扭力計(jì)，量化盤動(dòng)聯(lián)軸器的扭矩，更改出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，新增盤動(dòng)扭矩值不大于0.3 N·m 后方可出廠；最后是雜質(zhì)堵塞，水泵裝配完成進(jìn)行測(cè)試后，測(cè)試臺(tái)用水雜質(zhì)可能影響盤動(dòng)，測(cè)試臺(tái)水質(zhì)納入設(shè)備管理?xiàng)l例，新增每月一次的水質(zhì)檢查。

另外，泵軸尾端新增標(biāo)刻供應(yīng)商代碼，軸肩尺寸偏下差改善，銑加工程序變更，用刀補(bǔ)來改善泵軸的共面問題，新增銑扁軸設(shè)備。改善后泵軸軸肩寬度設(shè)計(jì)值為9.85～10.00 mm，實(shí)際量測(cè)均值為9.9 mm。

2 效果確認(rèn)

至2022 年6 月底，改善徹底完成。統(tǒng)計(jì)、分析2022 年度第三及第四季度的售后資料數(shù)據(jù)，浸入式水泵斷軸臺(tái)數(shù)為零，減少了因返工而造成的直接損失金額約2000 元/年，大大降低客戶抱怨，提高客戶滿意度。同時(shí)，該項(xiàng)目還梳理了工廠流水線CDLK 水泵的生產(chǎn)工藝規(guī)范，加強(qiáng)一致性管理，強(qiáng)化涉及零件質(zhì)量檢測(cè)，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提升同類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力及口碑，小組成員進(jìn)一步了解QC 改善的解析手法。

3 標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化的作用主要有，是組織現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要手段和必要條件，是合理發(fā)展產(chǎn)品品種、組織專業(yè)化生產(chǎn)的前提；是公司實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理和現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)，提高產(chǎn)品質(zhì)量保證安全、衛(wèi)生的技術(shù)保證；是國(guó)家資源合理利用、節(jié)約能源和節(jié)約原材料的有效途徑；是推廣新材料、新技術(shù)、新科研成果的橋梁；是消除貿(mào)易障礙、促進(jìn)國(guó)際貿(mào)易發(fā)展的通行證。

通過本次對(duì)浸入式液下泵斷軸的QC 質(zhì)量零化改善，對(duì)工廠的自動(dòng)化流水線及零部件的尺寸優(yōu)化進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化，未來將以點(diǎn)帶面、對(duì)立式泵及臥式泵裝配線進(jìn)行同等調(diào)查分析，嚴(yán)格遵循“標(biāo)準(zhǔn)化—執(zhí)行—查核—處置”的流程。

4 結(jié)束語

水泵斷軸問題涉及的零件較多，需要進(jìn)行分析的要因項(xiàng)較多，單純靠后期對(duì)問題的分析及解決是一個(gè)復(fù)雜的過程，影響的因素和改善方法多種多樣，應(yīng)針對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行具體分析和改善，解決問題的關(guān)鍵在于如何找到快捷、簡(jiǎn)單、費(fèi)用低且狀態(tài)穩(wěn)定的方案。

水泵的許多故障難點(diǎn)是將生產(chǎn)過程中的不穩(wěn)定性放大，所以在解決這些問題時(shí)首先要消除這些不穩(wěn)定因素，特別是涉及一些尺寸鏈過長(zhǎng)的問題，如何更有效地控制產(chǎn)品零件尺寸的不穩(wěn)定性，還值得進(jìn)一步的探索。

浸入式水泵的使用量較大、品種齊全，在基于可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保的總體背景下，市場(chǎng)對(duì)設(shè)備提出了更多新要求，如提升效率、節(jié)能減耗、降低運(yùn)行噪聲、延長(zhǎng)使用壽命、控制/監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和智能化等，只有自主創(chuàng)新能力強(qiáng)的企業(yè)才能更好、更快地轉(zhuǎn)化科技成果、進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，并賦予產(chǎn)品更高的技術(shù)附加值。