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蒸煮锅药液置换泵防轴断裂新型结构的设计应用

范文

黄海龙

摘要：主要介绍药液置换泵防止轴断裂的叶轮与轴新型连结方式。解决轴断裂现象，延长设备的使用寿命，消除现场的生产安全隐患，有效保障蒸煮生产的连续性。

关键词：轴;叶轮;疲劳断裂;大螺距矩形牙;焊接

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

青山纸业浆粕制浆系统蒸煮区3台药液置换泵，用于浆粕生产中蒸煮锅蒸煮木片时置换药液，蒸煮锅内处于温度、压力变化大，内部介质呈酸碱变换的复杂工况。自2012年1月投入使用，平均5至6个月发生轴断裂的事故，前衬及叶轮磨损大，机械密封坏，均无法再次使用，直接经济损失大并造成无法连续生产。

1 基本结构、性能参数

原泵为单级单吸蜗壳离心泵，型号SP250-600.4，电机功率400kw，转速n=1500r/min，扬程90m，流量860m3/h。泵与电机用膜片联轴器直联，叶轮与轴材料均为双相钢S22053，采用普通平键的连接方式;半开式叶轮直径604毫米（4个叶片），悬臂式轴承架联轴器侧轴承7322两个，叶轮侧轴承NU322一个，约翰克朗JCS2-100双端面机械密封1套。

2 故障分析

药液置换泵运行后泵出口压力须保持高于蒸煮锅内的压力（8kg/cm2），泵出口的气动控制阀急停急开，叶轮在高速旋转下，药液反作用于叶轮，叶轮与轴之间形成大的冲击力。裂纹首先产生于键槽侧边，微小裂纹逐步扩大后造成突然的断裂，断口表面裂纹源、粗糙区、光滑区特征明显，符合疲劳断裂理论的描述，故障属于交变应力下的疲劳断裂。

3 改造技术方案

新的技术方案是改变叶轮与轴头的普通平键的连接形式，采用大螺距的矩形牙（图1、2）连接，螺纹连接分散了叶轮与轴连接间的应力集中。

3.1 螺纹尺寸的确定

（1）平键规格B25x14，在实际运行中与叶轮配合可以满足使用要求，毂槽没有损坏，毂槽深5.4毫米，因此牙厚仍选用25毫米，牙深5毫米（图1），此处不做挤压强度校核。

（2）与叶轮配合和轴径尺寸校核：与叶轮配合的轴直径90毫米，键槽深9毫米，有效受力直径（ -9）x2=72毫米。

已知轴转速n=1500r/min，传递功率400kw，锁紧螺纹M42，材料双相钢S22053的扭转许用切应力[τ]=50MPa（由成大先《机械设计手册》轴篇推导出的近似值），求实心轴直径d及内外径比为0.58（42÷72=0.58）空心轴的外径D。

由上述计算得知，实心轴最小直径63.4毫米，空径比为0.58的空心轴的最小直径为66.4毫米，均小于72毫米，说明原轴在一般条件下运行是可行的。

（3）轴头受力比较（螺纹小径取75毫米大于原轴有效直径72毫米，简单受力分析差别忽略不计）：轴的受力由原先的径向分布改变为垂直于螺牙的受力方向（图2），合力与径向力夹角α=70.6°，cos70.6°=0.33，径向的受力仅为合力的0.33倍，约1/3;牙厚25毫米、牙距60毫米的设计，使得螺纹总长约500毫米，去除加工牙自然形成的渐入角不计，牙厚25毫米的螺纹线长约320毫米（1个螺距的螺纹线周长约250毫米），是原平键长度105毫米的3倍，单位长度的矩形牙平均受力为原轴平键的1/3。

综上所述，最终改造技术方案为轴的螺纹小径75毫米，牙高5毫米，螺紋大径85毫米，保留轴头尺寸90毫米，形成1个小的直口与叶轮配合，保证叶轮安装后的对中性。

3.2 轴头与叶轮的螺纹应成对加工以保证连接配合公差的可靠性

锁紧螺杆M42x4.5不采用止退垫的锁止方式（防止叶轮间断启动工作可能造成止退垫的失效），而是与叶轮焊接连接，即将叶轮螺紧轴头后，再上紧锁紧螺杆，最后把锁紧螺杆与叶轮接合面断焊焊接，主要的作用是利用其与轴头螺距的不同形成自锁，不致造成叶轮的松脱。

4 结论

泵损坏后，无法与蒸煮锅中的药液置换，30吨的木片煮成浆后，后续困扰漂白工艺，不合格的浆进入系统后，造成质量不合格的漂白浆粕100-150吨成品浆，损失60万元以上。此项技术在2016年11月在3#药液置换泵中安装使用，至2019年6月没有发生过故障。1#药液置换泵于2017年12月、2#药液置换泵于2018年6月分别更换新型结构的泵，每台改造成本约3万元， 3台置换液泵每年节约维修费用12万元，如重新选型，3台套设备总价约400万元。此项防轴断裂新型结构技术在生产实践中的成功运用，节约了维修费用，避免了计划外检修造成的不能连续生产的安全隐患，经济效益十分显著，也为旧设备改造提供了新的思路。

参考文献：

[1]张德润，董文夫.工程力学（机）：附工程力学（机）自学考试大纲[M].机械工业出版社，2004.

[2]闻邦椿.机械设计手册.第2卷，机械零部件设计（连接、紧固与传动）[M].机械工业出版社，2010.

[3]成大先.机械设计手册：单行本.液压控制[M].化学工业出版社，2004.

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[5]中国机械工程学会设备与维修工程分会.泵类设备维修问答[M].机械工业出版社，2007.

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