張國釗

(上海寰球石油化學(xué)工程有限公司，上海 200032)

立式長軸泵指需要3個(gè)或3個(gè)以上支承點(diǎn)的單根軸或多根軸組成的串聯(lián)軸系，它具有耐用、節(jié)能效率高、汽蝕性能好、占用空間小、啟動前不需要灌泵等優(yōu)點(diǎn)，在石化裝置中多用于輸送含有氧化鐵皮、泥沙顆粒、油污的循環(huán)水或污水，使用介質(zhì)溫度小于80℃，液固混合物中固體顆粒的體積含量不超過10%［1-2］.盡管立式長軸泵是一種定型產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)理論比較成熟，但也會由于接軸部件及導(dǎo)軸承的選用不當(dāng)，或者在安裝及制造中存在著偏差，而導(dǎo)致泵軸在運(yùn)行中發(fā)生振動，若振動嚴(yán)重超標(biāo)，不僅會造成噪音大，而且能嚴(yán)重?fù)p壞零部件并導(dǎo)致設(shè)備的破壞.本文從泵接軸結(jié)構(gòu)分析、滑動軸承及其材料選擇、沖洗管線設(shè)置、安裝和制造質(zhì)量等方面對立式長軸泵的選用和設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，為合理選用立式長軸泵提供借鑒.

1 立式長軸泵結(jié)構(gòu)

立式長軸泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、底座、接軸部件、泵軸(包括電機(jī)軸、葉輪軸和中間軸)、支承管、出口管、沖洗管、泵體、泵蓋、葉輪、濾網(wǎng)等組成.

圖1 立式長軸泵結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of the vertical long shaft pump

根據(jù)工藝裝置的要求，泵具有不同的插入深度以適應(yīng)不同的吸上高度，而最大深度高達(dá)十幾米，因此，采用一根軸是不現(xiàn)實(shí)的，必須由幾根軸通過接軸部件進(jìn)行聯(lián)接.

2 接軸部件結(jié)構(gòu)分析

接軸設(shè)計(jì)是立式長軸泵軸系設(shè)計(jì)的重要組成部分.其作用是連接上下兩軸，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞.接軸的方法［3-6］很多，常用的接軸結(jié)構(gòu)有套筒式、夾殼式和錐套式.各種接軸部件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)見表1所示.

表1 接軸部件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)Table 1 Structure and characteristics of shaft connection

套筒式接軸結(jié)構(gòu)通過鍵傳遞扭矩，分半式結(jié)構(gòu)的定位環(huán)和上、下接軸進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)兩軸定位，承擔(dān)軸向載荷.當(dāng)輸送不潔或易結(jié)晶介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的進(jìn)入可能造成維修時(shí)套筒拆卸困難，故此條件下應(yīng)謹(jǐn)慎使用.夾殼式接軸結(jié)構(gòu)與套筒式接軸結(jié)構(gòu)類似，均以鍵傳遞扭矩，區(qū)別在于套筒式接軸結(jié)構(gòu)的套筒為整體結(jié)構(gòu)，而夾殼式接軸結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸套是兩個(gè)分半的夾殼，用螺栓進(jìn)行聯(lián)接.由于零件裝配后原有的組件平衡精度可能會發(fā)生偏移，泵高速旋轉(zhuǎn)情況下需加以注意.錐套式接軸結(jié)構(gòu)使用鍵傳遞扭矩，軸的徑向和軸向定位均通過內(nèi)錐套來實(shí)現(xiàn).在外錐套端面加工有與內(nèi)錐套通孔對應(yīng)的螺紋孔.裝配時(shí)擰緊螺栓，使外錐套擠壓內(nèi)錐套，內(nèi)錐套壓緊上、下接軸的軸頸，從而實(shí)現(xiàn)徑向定位［7］.

不同的接軸結(jié)構(gòu)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對各種接軸結(jié)構(gòu)綜合分析，以選出最合理、最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu).

3 立式長軸泵導(dǎo)軸承的選用

滑動軸承承擔(dān)泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的大部分徑向載荷，限制軸系的徑向自由度，減小泵的振動和機(jī)械損失.據(jù)統(tǒng)計(jì)，93%的立式長軸泵故障是滑動軸承過度磨損造成的.滑動軸承磨損后，軸承間隙放大，直接導(dǎo)致葉輪和泵體密封環(huán)發(fā)生對磨，使轉(zhuǎn)子軸系不平衡量增大，軸撓性變大甚至彎曲，振動、噪聲超標(biāo)，葉輪口環(huán)發(fā)生研磨，最終泵發(fā)生故障［8-9］.因此，滑動軸承是立式長軸泵可靠性和運(yùn)行壽命的主要控制因素.

立式長軸泵的導(dǎo)軸承通常使用多個(gè)間隔的滑動軸承.按潤滑液的不同，滑動軸承分為油潤滑軸承和水潤滑軸承.油潤滑軸承雖具有承載力高、可靠性高、運(yùn)行壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高，運(yùn)行維護(hù)較麻煩，需耗費(fèi)大量油料和貴重有色金屬.隨著對水潤滑軸承的不斷研究，水潤滑軸承的優(yōu)越性得到了更多的體現(xiàn)，且水具有無污染、來源廣泛、安全、難燃等特性，油潤滑軸承將會逐漸被水潤滑軸承取代［10］.

3.1 滑動軸承間距的布置

合理選擇滑動軸承之間的距離，對設(shè)備的可靠運(yùn)行至關(guān)重要.如果此距離過大，會造成泵運(yùn)行不平穩(wěn)、振動大、噪聲大等問題;若此距離過小，軸的支撐點(diǎn)設(shè)置就會增多，徑向滑動軸承的數(shù)量就要增多.由于安裝偏差或制造偏差，往往裝配后可能出現(xiàn)盤車?yán)щy，偏磨損嚴(yán)重.雖然有些研究學(xué)者根據(jù)實(shí)踐總結(jié)出一套計(jì)算軸承間距的方法［4］，但由于軸承支撐剛度難以計(jì)算準(zhǔn)確，工程中通常按照標(biāo)準(zhǔn)API610中的圖32［11］來確定滑動軸承之間的距離.

3.2 滑動軸承材料的選用

水潤滑滑動軸承的材料很多，如鐵梨木、塑料、賽龍、彈塑瓦、橡膠、陶瓷、石墨等，其性能和使用效果不一［12-16］.陶瓷、石墨是適用較廣的立式長軸泵滑動軸承制作材料.

典型的陶瓷材料是碳化硅，它具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕、抗氧化以及高溫蠕變小等優(yōu)點(diǎn).在石化裝置，污水中通常含有固體顆粒，這些顆粒會隨著污水進(jìn)入立式泵滑動軸承的間隙，使軸承產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損，縮短軸承的使用壽命.含砂水磨實(shí)驗(yàn)表明，碳化硅摩擦副在砂水潤滑條件下的摩擦因數(shù)較低，約為0.05～0.13，磨損量是石墨、橡膠、青銅等材料無法比擬的，表明碳化硅軸承對固體顆粒物的磨粒磨損有較好的適應(yīng)性［17］.但碳化硅的熱膨脹系數(shù)較小，高溫條件下，由于膨脹不均，碳化硅材料的軸套和軸襯會同與之配合的金屬件間發(fā)生嚴(yán)重的松脫和脹緊現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)軸套會被脹裂，軸承失去功能.

石墨具有自潤滑性、力學(xué)性能及加工特性良好的特點(diǎn)，因而石墨軸承在清潔介質(zhì)條件下得到了廣泛應(yīng)用.石墨種類較多，工程應(yīng)用效果較好的是浸漬石墨.浸漬石墨是以純石墨為基體，通過浸漬某種材料填充基體空隙來改善石墨的力學(xué)性能.立式長軸泵軸承使用較多的石墨材料是呋喃石墨、酚醛石墨.呋喃石墨的抗酸性和抗堿性比較優(yōu)越，抗腐蝕能力較強(qiáng);酚醛石墨的抗酸性較好，抗堿性稍差［18-19］.石墨軸承耐磨粒磨損的能力較差，應(yīng)避免固體顆粒物進(jìn)入軸承.

用于污染雨水池、含油污水池、生活污水池中的立式長軸泵，若過濾裝置能夠保證介質(zhì)中的固體顆粒無法進(jìn)入泵中，則可選用石墨作為泵滑動軸承的材料，煤化工裝置中的立式硫磺泵的滑動軸承也常采用石墨材料制作.若介質(zhì)中的固體顆粒無法過濾干凈，就只能選用耐磨性較好的碳化硅作為軸承材料，以防止顆粒進(jìn)入滑動軸承而損壞軸承.

3.3 沖洗管線的設(shè)置

立式長軸泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，滑動軸承和軸套摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，必須對滑動軸承進(jìn)行充分的冷卻和潤滑.立式長軸泵通常有兩種沖洗方式:自沖洗和外沖洗(見圖1).當(dāng)輸送介質(zhì)不含固體顆粒時(shí)可采用自沖洗方式，它是用被輸送的清潔介質(zhì)作為沖洗液，由泵出口管引出，經(jīng)豎直向上的沖洗管路引向各個(gè)滑動軸承潤滑孔，進(jìn)而對滑動軸承進(jìn)行冷卻和潤滑.但自沖洗會分流部分出口流量，為了滿足工藝要求的出口流量，必須在大于額定點(diǎn)的流量外運(yùn)轉(zhuǎn)，因此揚(yáng)程有所降低，效率降低.如果介質(zhì)中含有固體顆粒，必須采用外沖洗方式，外沖洗方式通常用引自系統(tǒng)外的清潔水作為沖洗液.

滑動軸承的冷卻和潤滑系統(tǒng)分為串聯(lián)供水系統(tǒng)和并聯(lián)供水系統(tǒng).串聯(lián)供水系統(tǒng)是從泵上部填料函處接入沖洗液，順支承管內(nèi)依次往下流入到最后一個(gè)導(dǎo)軸承，最后從葉輪平衡孔或支承管的溢流口流出.冷卻和潤滑路線較長，沖洗液到達(dá)最后一個(gè)導(dǎo)軸承時(shí)，水溫已上升較高，其冷卻和潤滑效果不好.所以，最好采取并聯(lián)供水的方式(如圖1)，對每個(gè)軸承單獨(dú)供水，確保冷卻和潤滑效果.

正確計(jì)算或選擇沖洗液的壓力和流量可確?；瑒虞S承的良好潤滑.過大的冷卻和潤滑量可以滿足滑動軸承工作的需要，但要犧牲泵的容積效率;過小冷卻和潤滑量則會引起滑動軸承異常的磨損和溫升，摩擦面被迅速地破壞，軸系的支承作用降低，其后果是滑動軸承損壞，軸撓性變大甚至彎曲，最終泵發(fā)生故障.通常沖洗液的壓力為 0.2 ～0.4 MPa，流量為 0.3 ～0.6 m3/h［20］.沖洗液壓力和用量的計(jì)算與選擇可參考文獻(xiàn)［21-23］.

4 安裝與制造質(zhì)量分析

立式長軸泵安裝質(zhì)量和制造質(zhì)量出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致泵體振動超標(biāo).工程中最常見的泵體振動原因多數(shù)是由安裝和制造質(zhì)量沒滿足要求引起.

4.1 安裝質(zhì)量分析

立式長軸泵安裝時(shí)底座未找平找正、泵軸和電機(jī)軸未達(dá)到同軸度要求、管道配置不合理產(chǎn)生應(yīng)力變形、葉輪流道內(nèi)存有夾雜物、地基或地腳螺栓不夠牢固等，都將導(dǎo)致泵振動［24］.

(1)立式長軸泵安裝時(shí)底座未找平找正.如果安裝時(shí)底座未找平找正，轉(zhuǎn)子軸線與基礎(chǔ)無法垂直，只要泵體有較小的振動，振動就會通過長軸傳遞到操作平臺處，振動就會被放大.因此底座找平找正時(shí)，墊鐵應(yīng)選好著力點(diǎn)，基礎(chǔ)螺栓附近至少應(yīng)有一組墊鐵，在接縫處兩側(cè)也應(yīng)各墊一組墊鐵，同一處墊鐵的數(shù)量最好不要多于3塊，且對稱布置.如墊鐵放置不當(dāng)，預(yù)緊地腳螺栓時(shí)可能引起底座變形.

(2)泵軸和電機(jī)軸未達(dá)到同軸度要求.校正泵軸與電機(jī)軸時(shí)，應(yīng)從上下和左右方向分別校正.兩聯(lián)軸器之間應(yīng)留有所要求的間隙以保證兩軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中做限定的軸向運(yùn)動.

(3)管道配置不合理產(chǎn)生應(yīng)力變形.管道配置時(shí)應(yīng)盡可能避免由裝配應(yīng)力、變形應(yīng)力和管道閥門的重量而引起的附加外力和力矩作用到泵體上.管路與泵連接后不得再在其上進(jìn)行焊接與氣割，泵與管路連接后應(yīng)復(fù)核找正情況［25］.

(4)葉輪流道內(nèi)存有夾雜物.吸入口吸入雜質(zhì)會堵塞一部分流道，葉輪與蝸殼的摩擦損失加大，電機(jī)輸出扭矩將會增大，從而使振動加劇.可在吸入端增加濾網(wǎng)，開孔大小適當(dāng)，既有效地防止大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)損壞泵，同時(shí)又最大限度地減少進(jìn)口損失，提高水泵效率.

4.2 制造質(zhì)量分析

立式長軸泵中所有回轉(zhuǎn)部件的同軸度超差、葉輪和泵軸質(zhì)量粗糙，都有可能導(dǎo)致泵產(chǎn)生振動［26］.

(1)同軸度失調(diào)引起振動.同軸度包括泵的所有回轉(zhuǎn)部件，如泵軸、聯(lián)軸器、葉輪等，這些都需要機(jī)加工的精度來保證.因此，制造回轉(zhuǎn)部件的同軸度應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求.

(2)葉輪及泵軸精度不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)引起振動.泵軸的表面粗糙度、泵軸的熱處理質(zhì)量、葉輪的過流面粗糙度等不符合要求或材質(zhì)分布不均都將引起振動.制造葉輪和泵軸的精度及表面粗糙度、軸的熱處理質(zhì)量等都應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn).

5 結(jié)論

(1)在立式長軸泵的選用與設(shè)計(jì)過程中，接軸非常重要，它直接影響泵運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和可靠性.接軸方法很多，常用的接軸結(jié)構(gòu)主要有套筒式、夾殼式和錐套式.石化裝置中使用較多的是套筒式接軸結(jié)構(gòu).不同的接軸結(jié)構(gòu)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際加工和制作水平綜合選擇出最為經(jīng)濟(jì)合理的一種接軸方式進(jìn)行配套使用.

(2)導(dǎo)軸承材料的選擇、導(dǎo)軸承間距的選擇及沖洗管線的合理配置是保證泵運(yùn)行可靠的關(guān)鍵.如果條件允許，最好采用外沖洗液對軸承進(jìn)行沖洗.沖洗液的用量是一個(gè)優(yōu)化的數(shù)值，需合理選用.

(3)立式長軸泵的安裝和制造質(zhì)量也是影響泵可靠運(yùn)行的重要因素，應(yīng)嚴(yán)格遵循各種安裝和制造標(biāo)準(zhǔn)，確保安裝和制造質(zhì)量.

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