浸入式离心泵断轴分析方法浅析

2024-03-20蒋雄强

设备管理与维修 2024年4期

蒋雄强

（南方泵业股份有限公司，浙江杭州 311228）

0 引言

在化工石油行业生产中，原料、半成品和成品大多数是液体，泵不仅起输送液体和提供化学反应压力及流量的作用，而且在很多装置中还用来调节温度，一旦出现故障往往会使整个系统停止工作。因此，有人把泵比喻为化工工艺流程中的“心脏”。

随着全球经济发展，以及智能水泵、数字水泵、锂电泵等专业商用泵的制造工艺技术水平不断进步，家庭排水、农田水利、饮水安全工程、商业配套等下游领域对水泵的应用不断扩大，需求量逐年增加。2018—2024 年，年复合增长率为5.81%，2024 年水泵市场总规模达到665 亿美元。

目前我国水泵生产厂家数量达6000 多家，但规模以上企业只有约1300 家，大部分水泵厂家生产规模小、经营粗放、技术水平低、工艺和装备相对落后，没有形成规模经济效应，水泵品牌知名度低。近年来，国内水泵生产企业在产品研发能力和生产技术水平取得了较大进步，从传统的单体制造生产线向智能化、自动化生产线转变，并大大拉动制造业中自动化技术应用的需求。目前我国行业领先企业的产品，已接近世界同类产品先进水平。

1 QC 改善过程

1.1 立项原因

2021 年3 月，某办事处反馈客户现场发生了泵轴断裂事故，为同批次的同一款浸入式多级离心泵。统计公司2020 年度出厂水泵数量、故障类型及故障频次，运用柏拉图数据表格进行两次分析，能够充分反映出“少数关键、多数次要”的规律，寻找主要因素、抓住主要矛盾。一次分析以多级泵工厂3 种机型为例，立式泵、卧式泵和浸入式多级离心泵均发生过断轴事故，但立式泵和卧式泵的出货量远远大于浸入式多级离心泵，但从过去的12 个月数据来看，浸入式多级离心泵的故障数量却高于其他机型。二次分析浸入式多级离心泵不同级数的断轴比例，发现4-140 型水泵断轴频次最高，且与2021 年3 月反馈轴断裂事故为同批次的同一款浸入式多级离心泵，故选定该型号为本次QC质量改善的突破口，进行全面的分析。

1.2 目标设定

结合公司内部全面质量管理要求，抓质量不仅仅是抓生产制造的质量，更是从源头抓起，贯穿于从设计开始一直到售后服务的全过程，动员全体员工、参与这项活动，要以顾客为关注的中心来开展活动，以更高的质量服务要求，完成4-140 型浸入式多级离心泵的断轴不良零化。

探索质量管理发展5 个阶段，目前处于一个混合阶段：

第一阶段，质量检验阶段，以质量检验把关为主，是从半成品或产品中间挑出废品和次品，是一种事后把关式的管理，它依靠的是检查人员的经验和责任心。

第二阶段，统计质量控制阶段，适应生产力大发展的要求，利用数理统计的原理对生产过程进行分析，及时发现异常情况，从而采取处理措施，把质量检验发展到由事后把关变成事前控制。

第三阶段，全面质量管理阶段，一种“全攻全守”型的阶段。

第四阶段，质量保证阶段，一切应该做的事情订立成质量手册，通过程序文件以及一系列的质量表格文件来控制。

第五阶段，零缺陷的质量管理，目标是第一次就把事情做对，而且把每次做对作为奋斗方向。

1.3 现况分析

（1）现况原因初步分析。采用头脑风暴，小组人员在正常融洽和不受任何限制的气氛中以会议形式进行讨论、座谈，打破常规，积极思考、畅所欲言，充分发表看法。结合4M 检核法，即“人—机—料—法”分析法，增加产品制造及使用过程中所处的环境分析，展开分析浸入式多级离心泵断轴的潜在原因有泵轴设计尺寸及强度合理性、生产过程中的装配一致性的工艺能力、水泵装配过程的熟练度、拉杆锁附扭力值的管控装配平台合理性、装配工治具有效性、泵轴圆钢材料选型及加工方式的合理性等。

通过扩大不良因素、保留单一变量进行故障的模拟再现实验，实验主体为4-140 型浸入式水泵，其结构如图1 所示，验证内容见表1。

表1 故障的模拟再现实验

图1 离心泵结构

实验过程中未发生断轴故障，为探究故障真因，成立小组，运用质量管理的理论和方法开展断轴问题的分析及处理。

（2）泵轴设计合理性确认。根据水泵电机功率，转速，运用公式T=9565×P/n 及轴尺寸计算公式，计算出电机扭矩为1.8 N·m、泵轴直径设计值为12 mm、扁轴处宽度设计值为10 mm，判定设计合理。

（3）泵轴应力模拟分析。运用Solid Works 软件确定扁轴连接处为应力集中点，模拟运行处于临界值最高点，符合断轴位置。

（4）工厂人员熟练度调查。装配人员平均工龄均大于3 年，岗位应会考核均通过。

（5）水泵装配扭矩一致性确认。拉杆M10 和锁紧螺母M8 的设计扭矩分别为18～23 N·m、25～30 N·m，工厂量测10 台份拉杆及锁紧螺母扭矩均符合设计要求且Cp（过程能力指数）值稳定，拧紧工具符合周期性标定。

（6）装配工装水平度调查。对生产线的移动装配平台板进行水平度量测统计，水平度均小于0.55°，且同一流水线其他产品未发现断轴故障。

（7）工治具使用情况。移动装配平台板上泵轴及泵头的定位工装部分存在水平晃动问题，未及时检修，作业指导书规范了联轴器调节工装使用及盘车动作，质量及技术部对库存泵进行随机开箱盘车检验，检验的10 台泵中，存着盘动困难。

（8）导叶配合尺寸调查。歪斜原因为导叶止口尺寸间隙+平面跳动累积，根据导叶外壳同心度测量水泵导叶10 级累积值为2.63 mm。

（9）泵头尺寸量测。泵头配合安装面设计圆跳动小于0.025 mm，实测均值为0.08 mm、偏大超差。泵头是连接电机及泵体的重要零部件，影响泵轴与电机轴的同心度。

（10）泵轴材料特性。棒材厂商及第三方检测提供的材料特性报告，包含硬度、抗拉强度及理化分析数据，均符合NFJSS13—2020-A0 不锈钢圆棒技术规格书，供应商除在原料端进行抽检PMI 确认钢种外，后续生产流程每捆料的流转均有严格ID 管控，每工序包括标识管理，喷漆钢种识别管理，同平台不可拆两捆棒材，以确保钢种无误，厂内棒材分为两家供应商，成品泵轴无标识，无法精准溯源。

（11）泵轴轴肩的宽度设计值为9.85～10.00 mm，实际量测为9.85 mm、偏下差但符合设计要求，Cp值为2.11，直线度小于设计值0.02 mm/（100 mm）。

（12）断轴水泵运行环境。泵轴断裂4 台的液体介质明确为乙二醇水溶液，乙二醇对金属具有一定腐蚀性，不同浓度的溶液对金属的腐蚀能力有所差异。用抹布仔细擦拭泵轴试样，表面光亮如新，未见明显的腐蚀麻点等表面缺陷。售后资料缺乏运行温度、压力、流量、启动频次及出厂日期等工况的统计，特殊情况NG 水泵须进厂拆解分析。

1.4 要因分析及对策制定实施

1.4.1 组合工装晃动

生产线部分装配工装晃动损坏，泵轴与泵头装配无定位，导致泵轴与电机轴不同心。原有定位销式工装结构复杂，不同型号需更换定位销，且安装时需对孔，重新设计内止口式工装，但导叶级数越大、尺寸链越长，累积误差加大。泵体进水体模拟转动量测圆跳动最大值为5.7 mm，平面跳动最大值为0.78 mm，新增压紧设备，保证拉杆锁付时进水体与泵头的同心度。组合工装设备整改完成，进水体圆跳动及平面跳动改善明显，进水体圆跳动控制在3 mm 以下、平面跳动低于0.5 mm，优化改善提升40%（表2）。

表2 CDLK 4-140 型水泵改善前后进水体跳动数据对比 mm

1.4.2 泵头圆跳动不良

泵头圆跳动不良的原因主要有3 个：

（1）加工夹具造成的误差，现有路线第一序加工电机口所有尺寸，第二序加工过水端所有尺寸。

（2）检测误差，检测的方法是使用定尺寸盘，人工旋转检测，每个人的操作误差在0.02 mm 左右。

（3）定位面变形及毛刺误差，前者是因电机安装面的螺纹安装孔，钻孔变形及毛刺造成的定位误差，而后者的工艺优化难度较大、待进一步处理。

1.4.3 水泵盘动困难

水泵盘动困难的原因及应对措施主要有：首先是作业遗漏，无法探测是否进行盘动作业，很难进行作业现场的统计管理，技术部定期开展工艺一致性检查工作；其次是标准不一致，水泵装配完成后人工进行盘动判定，转动灵活性判定结果因人而异，新增水泵盘动扭力计，量化盘动联轴器的扭矩，更改出厂检验标准，新增盘动扭矩值不大于0.3 N·m 后方可出厂；最后是杂质堵塞，水泵装配完成进行测试后，测试台用水杂质可能影响盘动，测试台水质纳入设备管理条例，新增每月一次的水质检查。

另外，泵轴尾端新增标刻供应商代码，轴肩尺寸偏下差改善，铣加工程序变更，用刀补来改善泵轴的共面问题，新增铣扁轴设备。改善后泵轴轴肩宽度设计值为9.85～10.00 mm，实际量测均值为9.9 mm。

2 效果确认

至2022 年6 月底，改善彻底完成。统计、分析2022 年度第三及第四季度的售后资料数据，浸入式水泵断轴台数为零，减少了因返工而造成的直接损失金额约2000 元/年，大大降低客户抱怨，提高客户满意度。同时，该项目还梳理了工厂流水线CDLK 水泵的生产工艺规范，加强一致性管理，强化涉及零件质量检测，优化产品质量，提升同类产品竞争力及口碑，小组成员进一步了解QC 改善的解析手法。

3 标准化

标准化的作用主要有，是组织现代化生产的重要手段和必要条件，是合理发展产品品种、组织专业化生产的前提；是公司实现科学管理和现代化管理的基础，提高产品质量保证安全、卫生的技术保证；是国家资源合理利用、节约能源和节约原材料的有效途径；是推广新材料、新技术、新科研成果的桥梁；是消除贸易障碍、促进国际贸易发展的通行证。

通过本次对浸入式液下泵断轴的QC 质量零化改善，对工厂的自动化流水线及零部件的尺寸优化进行了标准、优化，未来将以点带面、对立式泵及卧式泵装配线进行同等调查分析，严格遵循“标准化—执行—查核—处置”的流程。