酸水泵轴头断裂分析及改进措施

王明旭 于海章 刘勇先

（辽阳石化分公司尼龙厂醇酮一车间 辽宁辽阳）

1.泵参数与结构

泵型号ECP40-200，机械密封DTM35。输送介质中含有酸水。额定转数2900 r/min，流量是4.8 m3/h，扬程56 m，电机功率7 kW，工作温度60℃。泵采用3轴承悬臂支撑结构，7306轴承2架用于承受轴向力，6207轴承1架用于承受径向力。叶轮形式为闭式叶轮，叶轮背面没有用于平衡轴向力的副叶轮。过流部件的材料是Z8CNDT17.12，可以采用美标的316L替代。叶轮轴头螺纹M12。国产的轴头螺纹都有退刀槽结构。

2.故障

设备基本上是1个月更换1套机械密封，2个月更换1根轴及轴承等部件，轴的损坏形式都在轴头根部退刀槽部位发生断裂，轴套也经常更换，轴套的损坏形式是轴套与密封接触部位磨损，导致机械密封泄漏。

3.原因分析

（1）轴头受力分析及计算。正常情况下对轴头部位进行受力分析，所承受叶轮对它的轴向力和叶轮螺母预紧力。叶轮轴向力由于入口侧压力与背面压力不同和前后两侧液体密封泄漏不相同等因素，使叶轮两侧盖板压力分布也不相同，因此作用于后盖板的压力较大，必然产生一个指向入口的力称为轴向力F1。同时液体流入叶轮入口从叶轮出口留出，液体流动速度大小和方向均发生变化，这个速度变化产生一种动反力F2，此力也是轴向力，但是方向于F1相反。两个力的合力就是轴头所受的轴向外力，如图1所示。

经计算得（公式略）F1=1576.165 N；F2=0.22 N；轴向外力F=F1-F2=1575.945 N；经强度校核计算得许用应力为13.94 MPa，查316L不锈钢在60℃时的许用应力为520 MPa，由此可见正常负载下实际应力低于其许用应力。

图1 轴头受力图

（2）从轴头断裂的位置分析。泵轴断裂的部位位于轴头螺纹的退刀槽部位。该轴在加工过程中为了加工轴头螺纹，一般是先加工退刀槽后再加工螺纹，容易造成应力集中，降低了轴的强度。

（3）工艺操作情况分析。由于泵的调节采用的是出口自控阀调节泵的实际流量，自控阀经常故障，导致泵流量经常不稳定，甚至有时泵处在出口阀关闭的情况下运行，之后又突然阀门大开，导致泵出口流量波动剧烈，叶轮轴向受力不稳定。同时泵振动增大，其中轴套的损坏就是最好的证据。

4.改进措施与效果

轴断裂的位置在轴最细处是应力集中的位置并且还有退刀槽，故将轴头螺纹增大到M16。为避免应力集中，加工螺纹时采用光滑过度，采用大圆角或不留退刀槽；在加工到螺纹最后几个齿时，让刀具缓慢推出等工艺措施。由于轴头直径发生变化，把叶轮的轮毂直径也相应变大，叶轮重新做动平衡试验，确保设备本身振动值符合要求。在设备改造的同时也要求工艺操作趋于平稳。

经过6个多月追踪观察，泵运行平稳，未再发生轴断裂故障。现在降低了轴及轴承的更换频率，同时机械密封每年少更换6套，每年可节省费用3.12万元。