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)
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。
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。
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:
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。
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。
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。
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)
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。
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。
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。
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。