潘其文，杜興云

（蘭州石化維達(dá)公司，甘肅蘭州 730060）

1 設(shè)備概況

某化工廠水汽車間污水預(yù)處理裝置型號(hào)NM063BY01L06V，功率7.5 kW，轉(zhuǎn)速1445 r/min，流量40 m3/h，排出壓力0.3 MPa。耐馳泵業(yè)有限公司制造的污泥螺桿泵，主要是將高效澄清池中的污泥水輸送至污泥濃縮池，屬于重要的環(huán)保設(shè)備。該泵運(yùn)行周期短，全年非計(jì)劃停車檢修達(dá)20 次之多，平均運(yùn)行周期不足20 d，備件消耗多，檢修工作量大，嚴(yán)重影響裝置的連續(xù)化運(yùn)行。

2 故障現(xiàn)象與原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

每次只要機(jī)械密封有泄漏時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢修中就會(huì)發(fā)現(xiàn)石墨靜環(huán)密封面有偏磨、端面出現(xiàn)圓狀溝槽、嚴(yán)重磨損、碎裂等現(xiàn)象。硬質(zhì)合金（YG20，布氏硬度80 HRC）動(dòng)環(huán)表面出現(xiàn)因高溫而產(chǎn)生的顏色發(fā)藍(lán)、發(fā)黑，以及裂紋等，動(dòng)環(huán)O 形橡膠密封圈出現(xiàn)失彈、變硬、碳化等永久變形現(xiàn)象。在減速機(jī)輸出軸上安裝動(dòng)環(huán)密封圈位置的軸頸處出現(xiàn)周向凹槽。同時(shí)，該泵每次只要因機(jī)械密封泄漏或者振動(dòng)值大進(jìn)行檢修時(shí)，測(cè)量減速機(jī)輸出軸銷孔尺寸都會(huì)出現(xiàn)變大，且銷孔磨損呈橢圓形等現(xiàn)象。

2.2 原因分析

由于中間萬(wàn)向節(jié)材料硬度低，短時(shí)間運(yùn)行即出現(xiàn)兩端銷孔嚴(yán)重磨損，呈橢圓形或長(zhǎng)孔狀。造成銷子與銷孔配合間隙增大，減速機(jī)輸出軸和螺桿等轉(zhuǎn)動(dòng)件擺動(dòng)量加大，當(dāng)輸出軸發(fā)生擺動(dòng)時(shí)，使摩擦副產(chǎn)生偏隙，發(fā)生偏磨。同時(shí)，因?yàn)槲勰嗦輻U泵輸送的介質(zhì)是污泥，當(dāng)介質(zhì)中含有的微粒物質(zhì)少量進(jìn)入機(jī)械密封端面楔形間隙時(shí)，產(chǎn)生接觸摩擦使端面溫度迅速升高，動(dòng)靜環(huán)端面之間的液膜也隨之消失，破壞了摩擦副間的液體潤(rùn)滑。使得機(jī)械密封處于干摩擦狀態(tài)，加劇了端面溫度的升高。該泵機(jī)械密封靜環(huán)為石墨材料，脆性大、硬度低，微粒使石墨靜環(huán)端面劃磨出圓狀溝槽，或石墨環(huán)嚴(yán)重磨損或破裂，動(dòng)環(huán)出現(xiàn)龜裂紋等。另一方面，由于機(jī)械密封動(dòng)環(huán)在彈簧力作用下，具有追隨性和補(bǔ)償能力，這樣，動(dòng)環(huán)密封圈在軸上作高頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，密封圈介質(zhì)側(cè)的微粒像砂紙一樣磨削輸出軸，造成動(dòng)環(huán)密封圈損壞和減速機(jī)輸出軸磨損，中間萬(wàn)向節(jié)報(bào)廢。只要中間萬(wàn)向節(jié)銷孔磨大時(shí)，就會(huì)造成減速機(jī)輸出軸磨損、機(jī)械密封損壞、螺桿與定子工作間隙超標(biāo)，設(shè)備停車修理。

2.3 端面比壓核算

NM063BY01L06V 泵機(jī)械密封型號(hào)為CYT4360-00-B，其機(jī)械密封端面的受力狀況如圖1 所示。

圖1 機(jī)械密封的受力狀況

機(jī)械密封端面比壓計(jì)算相關(guān)公式如下。

式中 Pb——端面比壓，MPa

PS——?jiǎng)迎h(huán)所受的彈簧比壓，MPa

P——密封腔內(nèi)的介質(zhì)壓力，MPa

K——機(jī)械密封載荷系數(shù)，介質(zhì)壓力的作用面積與密封端面面積之比

λ——液膜壓力系數(shù)

f——彈簧系數(shù)

Y——彈簧壓縮量，mm

D2——靜環(huán)外徑，mm

D1——靜環(huán)內(nèi)徑，mm

D0——裝在動(dòng)環(huán)處的密封圈滑動(dòng)面的直徑，mm

本例中，P=0.3 MPa，λ=0.5，f=1.054 5，材料為65Mn；安裝時(shí)，Y=8.5 mm，D2=56 mm，D1=48 mm，D0=45 mm。代入以上公式，得PS=0.137 MPa，K=1.335 3。內(nèi)裝式非平衡型機(jī)械密封彈簧比壓PS值范圍一般為0.08～0.3 MPa。該泵PS=0.137 MPa，滿足要求。把PS、K 代入公式，得Pb=PS+P（K-0.5）=0.137+0.3×（1.335 3-0.5）=0.39 MPa。

端面比壓是指摩擦副端面上所受的軸向壓緊力，此值過(guò)小會(huì)使泄漏量增大，密封性不好，過(guò)大則會(huì)加劇機(jī)械密封的磨損和發(fā)熱，一般Pb=0.3～0.5 MPa。本螺桿泵的Pb在標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值范圍內(nèi)，不會(huì)造成摩擦副端面的磨損及機(jī)械密封損壞。然而，CYT4360-00-B 型機(jī)械密封采用大彈簧結(jié)構(gòu)，本身就有端面受力不均勻的問(wèn)題，很難確保摩擦副之間受力均勻。因此，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封在此泵應(yīng)用不是很好。

3 改進(jìn)措施

3.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

分析CYT4360-00-B 型機(jī)械密封失效原因后，決定改進(jìn)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。要求新的密封結(jié)構(gòu)必須具有良好的密封性，使用壽命長(zhǎng)，能防止微粒進(jìn)入密封端面，并且拆裝方便。經(jīng)查閱資料，并與同類型機(jī)泵中運(yùn)行良好的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。將單彈簧機(jī)械密封改為金屬波紋管型機(jī)械密封，將O 形圈換為石墨墊片，采用清水沖洗。通過(guò)與機(jī)械密封制造廠家交流并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，重新設(shè)計(jì)制造，解決了軸封結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

3.2 靜環(huán)材料改進(jìn)

碳化硅密封環(huán)具有耐化學(xué)腐蝕性好、強(qiáng)度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小且耐高溫，特別適用于有干摩擦工況的密封件。因此，為提高密封件使用壽命及工作的可靠性，將原來(lái)的靜環(huán)材料由石墨改為碳化硅，并與硬質(zhì)合金動(dòng)環(huán)形成有硬度差的硬對(duì)硬端面摩擦副。

3.3 中間萬(wàn)向節(jié)銷孔改進(jìn)

首先，對(duì)原來(lái)銷孔尺寸鉆鉸擴(kuò)大，對(duì)加工后的孔徑尺寸進(jìn)行強(qiáng)度校核，滿足拉伸強(qiáng)度要求。接下來(lái)對(duì)中間萬(wàn)向節(jié)兩頭銷孔及圓弧形軸頭進(jìn)行熱處理，以增加其硬度。然后，根據(jù)孔與套的過(guò)盈配合公差要求，加工銷套鑲?cè)脘N孔中，配裝上銷子。

3.4 減速機(jī)輸出軸銷孔改進(jìn)

同樣對(duì)減速機(jī)輸出軸上的銷孔尺寸鉆鉸擴(kuò)大，由加工后的孔徑尺寸進(jìn)行強(qiáng)度校核，滿足拉伸強(qiáng)度要求。然后，根據(jù)孔與套的過(guò)盈配合公差要求，加工銷套鑲?cè)脘N孔中，配裝上銷子。

將銷套都進(jìn)行熱處理以提高硬度，但低于銷子的硬度40～50 HB，防止銷子被磨損后斷裂造成設(shè)備事故。銷孔改進(jìn)配裝銷套后，檢修時(shí)只需要根據(jù)銷套磨損情況更換銷套，不再像以前銷孔磨損后要轉(zhuǎn)90°，重新鉆鉸銷孔或更換減速機(jī)輸出軸。

4 效果

2019 年4 月初，有計(jì)劃地檢修污泥螺桿泵，逐一更換改進(jìn)后的波紋管型機(jī)械密封、兩軸及銷套等，安裝調(diào)試運(yùn)行正常，投入生產(chǎn)使用。截至2020 年5 月中旬，該設(shè)備未發(fā)生機(jī)械密封泄漏、振動(dòng)大或異響等故障，運(yùn)行狀況良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)機(jī)械密封、軸及銷套等，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的觀察檢驗(yàn)，近一年多來(lái)，其振動(dòng)烈度一直處于B 區(qū)范圍內(nèi)。機(jī)械密封泄漏量降為零，未進(jìn)行過(guò)停車檢修，取得了非常好的效果，節(jié)省了設(shè)備維修費(fèi)用，減少了檢修人工成本。同時(shí)，保證了裝置正常生產(chǎn)，為設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。