劉廣棟， 劉勇進， 曹春榮

（1.青島航保機電設(shè)備有限公司， 山東 青島 266114；2.92330 部隊， 山東 青島 266103；3.青島市政府發(fā)改委， 山東 青島 266000）

引言

在役某型海水泵機械密封安裝方式特殊，需要通過機械密封尾端設(shè)計延長軸頭，軸頭安裝在電機軸上，葉輪安裝在軸頭尾部。延長軸頭作為機械密封零部件整合在機封設(shè)計方案中，兼顧固定機械密封、延長軸、固定泵葉輪功能，對設(shè)計要求較高。工作中，受機械密封整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、施工等諸多因素影響，經(jīng)常出現(xiàn)葉輪安裝后跳動量超標（達0.06～0.08 mm）、泵組運行振動大、機械密封軸向安裝定位尺寸偏差大等問題，裝備的可靠性差，對系統(tǒng)整體安全性產(chǎn)生較大影響。

1 原機械密封結(jié)構(gòu)

如圖1 所示為機械密封總體結(jié)構(gòu)圖，從圖1 可以看出，電機軸伸出端軸徑Ф25h6，軸深入泵腔中，軸尾部通過螺紋方式旋入一延長軸頭，泵的葉輪安裝在軸頭上。

圖1 機械密封總體結(jié)構(gòu)

此型機封安裝順序：將機械密封主體部分（不包括軸頭）安裝到電機軸上；安裝泵殼；將軸頭旋入電機軸，安裝牢固；將機械密封壓蓋通過聯(lián)接螺栓固定在泵殼上；使用螺栓將軸頭固定到機械密封底端；安裝葉輪[1]。

機械密封安裝完畢后，密封軸套頂端與電機軸臺肩之間有間隙，間隙大小受電機、泵體安裝精度影響。泵組工作時，電機電動軸旋轉(zhuǎn)，軸傳動給軸頭，軸頭傳動給機械密封動環(huán)組件以及葉輪。

電機軸與軸頭配合公差為軸徑Ф25h6，機械密封軸套底部以及軸頭內(nèi)孔公差為Ф25（+0.1～+0.15），配合間隙較大。

2 原機械密封方案隱患分析

從整體結(jié)構(gòu)上分析，原機械密封安裝失準、密封性能失效原因如下：

2.1 軸頭存在未安裝到位風險

機械密封軸套軸向定位完全依賴于軸頭與電機軸的旋入深度。機械密封初始安裝施工過程中，存在軸頭旋入精度差、未擰到位、螺紋連接預(yù)緊力不夠的風險，導(dǎo)致機械密封軸向數(shù)據(jù)失準，工作參數(shù)變化，密封整體性能下降；同時也造成安裝在軸頭上的葉輪工作不穩(wěn)定。

2.2 機械密封在電機反轉(zhuǎn)工況下存在密封失效風險

如圖1 所示，從結(jié)構(gòu)上分析，機封軸套鎖在軸頭上，軸頭以螺紋連接方式旋接固定在軸上，為保證機械密封工作穩(wěn)定可靠、不軸頭不松脫、軸套不產(chǎn)生軸向移動，電機的旋轉(zhuǎn)方向必須與電機軸尾端螺紋旋向相反。

經(jīng)查，此型號海水泵在工作中有短時的反轉(zhuǎn)工況。在長時間工作狀態(tài)下，機械密封軸頭與電機軸之間的螺紋連接存在松脫的可能[2]。當電機反轉(zhuǎn)在軸頭上產(chǎn)生的扭矩大于軸頭與電機軸之間螺紋連接阻力力矩時，軸套旋入結(jié)構(gòu)連接松脫、軸套下移，導(dǎo)致機械密封工作參數(shù)變化，彈簧壓縮量變小、密封環(huán)初始閉合壓力降低，密封性能下降，甚至密封完全失效。

2.3 軸頭裝配精度低，造成徑向跳動超標風險

作為安裝泵葉輪的軸頭，其徑向跳動量要求小于0.04 mm。軸頭的跳動量完全取決于軸頭與電機軸之間的安裝精度。在原方案中，軸頭與機械密封軸套、軸頭與電機軸之間均為間隙配合，且間隙值達0.1～0.15，此兩處配合均無法定位電機軸與軸頭。軸頭的定位完全由軸頭與電機軸之間旋合螺紋決定。查詢《普通螺紋公差與配合》（GB/T 197—2003），經(jīng)常拆裝的螺紋推薦采用H/g 配合。原方案圖紙要求，軸頭螺紋為M20-6H/6g，屬于易拆裝的松配合，無法實現(xiàn)軸頭精確定位。軸頭跳動量超標直接導(dǎo)致葉輪安裝形位失準，造成泵組運轉(zhuǎn)時振動偏大，影響機械密封的密封性能。

從以上分析可以看出，軸頭達不到徑向跳動允許差0.04 mm，屬于設(shè)計本身固有缺陷，沒有考慮軸頭精確定位因素。

3 改進性設(shè)計

3.1 機封結(jié)構(gòu)整體改進，實現(xiàn)兼容泵組正反轉(zhuǎn)功能

1）密封環(huán)傳動方式由原方案的螺母鎖緊方式改為傳動銷傳動，傳動可靠，避免了泵反轉(zhuǎn)時密封環(huán)鎖緊螺母松脫風險，同時簡化機械密封結(jié)構(gòu)。

2）機械密封軸頭、軸套通過頂端的凹端緊定螺釘鎖在電機軸上，電機軸通過緊定螺釘向機械密封軸套、軸頭傳遞扭矩[3]。軸頭通過6 個緊定螺釘固定與機械密封軸套底部，葉輪通過兩個緊固螺母固定在軸頭。此方案優(yōu)點是電機扭矩傳遞與軸頭和電機軸M20連接螺紋無關(guān)，反轉(zhuǎn)工況下軸頭沒有因反向扭矩松脫風險。

如圖2 所示為改進性設(shè)計總體方案示意圖。新型機封安裝順序：將機械密封主體部分（不包括軸頭）安裝到電機軸上；安裝泵殼；將軸頭旋入電機軸，安裝牢固；將機械密封壓蓋通過聯(lián)接螺栓固定在泵殼上；使用螺栓將軸頭固定到機械密封底端；鎖緊機械密封軸套頂端的緊定螺釘，機封軸向定位；安裝葉輪。

圖2 改進性設(shè)計總體方案（單位：mm）

3.2 改變機封軸套與電機軸之間密封型式

在軸套與軸頭之間設(shè)置O 型密封圈，密封組件在機械密封內(nèi)部實現(xiàn)，密封簡單、可靠。

3.3 改變軸頭與軸公差配合

電機軸尺寸公差為Ф25h6，根據(jù)GB/T 1801—2009，基準軸h6 的間隙配合推薦F7/h6、G7/h6、H7/h6三種。軸頭螺紋配合為M20-6H/6g，軸頭Ф25 孔按照三種推薦配合進行了試制：

1）軸頭采用Ф25 H7/h6 配合，軸頭安裝阻力極大、螺紋連接旋入困難。軸頭安裝到位后測量，跳動量小于0.02 mm。拆卸后發(fā)現(xiàn)軸頭內(nèi)孔嚴重拉傷、報廢，電機軸輕度受損。

2）軸頭采用Ф25 G7/h6 配合，安裝阻力較大，軸頭旋入阻力比較困難。軸頭安裝到位后測量，跳動量小于0.03 mm。拆卸后發(fā)現(xiàn)軸頭內(nèi)孔局部環(huán)形拉痕，軸頭報廢。

3）軸頭采用Ф25 F7/h6 配合，安裝、拆卸順暢，軸頭安裝到位后測量，跳動量在0.020～0.035 mm 范圍內(nèi)，符合泵葉輪安裝技術(shù)要求。

經(jīng)試驗、調(diào)整，綜合滿足軸頭跳動量技術(shù)指標、零部件拆裝方便，軸頭內(nèi)孔Ф25 公差采用F7/h6 配合（+0.02～+0.041），配合軸向長度15 mm，軸頭徑向跳動小于0.04 mm。

4 運行考核試驗驗證

機械密封安裝改進方案實施后，進行了100 h 長時間臺架運行考核，期間進行了3 次拆裝檢查，機械密封工作正常；軸頭拆裝便捷、軸頭跳動量在0.020～0.035 mm，符合技術(shù)要求。目前改型機封已經(jīng)量產(chǎn)并裝備使用。

5 結(jié)語

整體泵組設(shè)計存在電機軸短的缺陷，在不改變電機、泵葉輪、泵殼組件技術(shù)條件的情況下，通過優(yōu)化機械密封設(shè)計，特別是優(yōu)化延長軸頭設(shè)計，調(diào)整配合間隙、安裝方式等，實現(xiàn)了在役裝備的改進性修理，延長了裝備使用壽命，提高了裝備可靠性、穩(wěn)定性，取得了較為可觀的經(jīng)濟效益。