BW200型往復(fù)泵曲軸磨損原因分析及解決措施

周利文，李宗義，王安平，唐 建

(1.甘肅省核工業(yè)機(jī)電研究所，甘肅天水 741025;2.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001)

BW200型往復(fù)泵曲軸磨損原因分析及解決措施

周利文1，李宗義2，王安平1，唐 建1

(1.甘肅省核工業(yè)機(jī)電研究所，甘肅天水 741025;2.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001)

建立齒輪傳動往復(fù)泵的曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲軸空間力系，對曲軸曲柄銷軸進(jìn)行受力分析。通過加裝平衡條平衡旋轉(zhuǎn)慣性力和改變進(jìn)水管接口位置試驗，找出了液力端進(jìn)排水流道尺寸的改變是BW200型泵的工作腔液體產(chǎn)生水擊的原因，解決了泵溫升高和曲軸曲柄銷磨損問題?？捎糜邶X輪傳動往復(fù)泵的曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲軸受力分析和計算，解決泥漿泵的類似問題。

泥漿泵;往復(fù)泵;曲柄連桿機(jī)構(gòu);曲軸磨損;受力分析

1 問題的提出

BW200型泥漿泵為臥式雙缸雙作用往復(fù)式活塞泵，采用球閥，結(jié)構(gòu)比較緊湊，體積小、輕便，非常適合野外搬運(yùn)，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、工程建設(shè)等領(lǐng)域。該泵的曲軸材質(zhì)為球墨鑄鐵件，連桿軸瓦采用鐵基粉末冶金材料。該泵主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 BW200型泵主要技術(shù)參數(shù)

泵在做出廠試驗時，出現(xiàn)了在低壓(1～2 MPa)運(yùn)轉(zhuǎn)時，溫度變化及溫升不大，而φ80 mm缸徑、壓力為4 MPa左右或φ65mm缸徑、壓力為6 MPa左右，做負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時，溫度急劇升高的問題。經(jīng)實際測量，每分鐘可升高5℃以上，滿負(fù)載運(yùn)行15 min后，動力輸入端處的軸承溫度最高達(dá)到了95℃，箱體溫度達(dá)到了85℃，泵的溫升超過了產(chǎn)品的技術(shù)要求。打開泵箱體檢查窗查看，發(fā)現(xiàn)曲軸的大齒輪嚙合不均勻，偏向一側(cè)。拆解連桿進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)曲軸的一個曲柄銷軸磨損嚴(yán)重，磨損量達(dá)到了2 mm，斷面形狀呈棗核狀，但是另一個曲柄銷軸沒有發(fā)生磨損。通過對雙缸雙作用往復(fù)泵的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析，對主要受力情況做了計算，同時，加裝平衡條來平衡旋轉(zhuǎn)慣性力和U型三通管讓進(jìn)水管接口位置從液力端的一側(cè)改到中間進(jìn)行試驗。液力端工作腔內(nèi)進(jìn)排水流道尺寸變小是工作腔內(nèi)液體產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，導(dǎo)致泵發(fā)生溫升高和曲軸曲柄銷軸磨損的問題原因。

2 雙缸雙作用往復(fù)泵曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析

2.1 作用力分析

BW200型泵是雙缸雙作用，為了使流量趨于均勻，曲柄錯角采用90°的結(jié)構(gòu)型式，連桿與曲柄銷軸之間采用滑動軸承配合。泵所受的作用力如圖1所示。

作用在十字頭銷中心C點的是綜合活塞力F'，泵工作時作用于十字頭銷中心上的力有活塞力F、往復(fù)慣性力Fw和摩擦力Fm，即:

式中:F——活塞力，N;Fw——往復(fù)慣性力，N;Fm——摩擦力，N，包括活塞與缸套、活塞桿及其密封和十字頭與滑道各往復(fù)運(yùn)動副摩擦力的總和，其方向與活塞速度方向相反。

圖1 往復(fù)泵作用力示意圖

活塞力F用最大活塞力代替，有:

式中:m3——以曲柄銷為對稱中心的曲拐部分質(zhì)量，kg;m2——曲拐剩余不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，kg;s——不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量m2質(zhì)心到主軸頸的距離，m。

2.2 曲軸受力分析

曲軸受力十分復(fù)雜，要想把曲軸所有受力情況考慮進(jìn)去加以分析計算，在目前還做不到。做簡化假設(shè)，把該泵曲軸的受力簡化成兩支點雙拐簡支梁情況，曲軸受力如圖2所示。圖上規(guī)定了坐標(biāo)系和曲軸旋轉(zhuǎn)方向。

圖2 兩支點雙拐曲軸受力分析圖

作用在兩支點雙拐曲軸上的力有:作用在曲柄銷中點的集中力——切向力Fτ和徑向力Fr(或連桿力Fc、旋轉(zhuǎn)慣性力Fh);作用在主軸頸上的支反力FA和FB;作用在大齒輪上的切向齒輪力Fnτ和徑向齒輪力Fnr(或齒輪力Fn)。

式中:α——齒輪壓力角，(°)，標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱齒輪α =20°。

雙缸雙作用往復(fù)泵曲軸曲柄錯角為90°，若第一個曲柄轉(zhuǎn)角φ1=φ，則第二個曲柄轉(zhuǎn)角為φ2=φ+90°。

當(dāng)泵任意活塞處于吸程階段(0＜φi＜180°)時，由于是雙作用泵，其活塞力

2.3 BW200型泵曲柄銷的受力計算

BW200型泵活塞直徑D=80 mm，活塞行程S=85 mm，泵速 n=130 min－1，活塞桿直徑 d=28 mm，取k=0.4。經(jīng)計算連桿比λ=0.18，活塞、活塞桿和十字頭部件質(zhì)量ms=4 kg，連桿質(zhì)量mg=8 kg。

因為該泵在4 MPa時，泵溫升比較高，曲柄銷磨損比較嚴(yán)重，可計算幾個極值情況。計算曲柄轉(zhuǎn)角在360°時曲柄銷的受力情況，此時，往復(fù)慣性力Fw為最大值的，經(jīng)計算曲柄角速度ω=13.6 rad/s，活塞力F=20 kN，往復(fù)慣性力Fw=70 N，往復(fù)慣性力Fw遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于活塞力F，可以忽略不計，同樣，摩擦力Fm也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于活塞力F，也可以忽略不計。這樣，綜合活塞力F'=20 kN，連桿力FC=20 kN。計算曲柄轉(zhuǎn)角在270°時曲柄銷的受力情況，也忽略不計往復(fù)慣性力Fw和摩擦力Fm，綜合活塞力F'=20 kN，連桿力最大FC=20.33 kN。

3 原因分析

對整臺泵的零部件加工和裝配情況進(jìn)行了檢測，特別是檢測了曲軸材質(zhì)、熱處理和曲軸連桿的裝配情況，檢測后均符合技術(shù)要求。

泵的進(jìn)水管接口設(shè)在泵的液力端兩側(cè)，根據(jù)用戶現(xiàn)場使用的情況，可以方便的接在任意一側(cè)。在檢查泵曲軸箱時，發(fā)現(xiàn)磨損曲柄銷位置是在遠(yuǎn)離進(jìn)水管接口的那個工作腔的。改變進(jìn)水管接口位置進(jìn)行試驗，還是遠(yuǎn)離進(jìn)水管接口的工作腔那個曲柄銷發(fā)生磨損。

泵使用工況在規(guī)定的范圍內(nèi)，計算曲柄銷的受力也應(yīng)該在合理的范圍內(nèi)。經(jīng)分析可以認(rèn)為有兩種情況可能導(dǎo)致曲柄銷軸的磨損，一是往復(fù)泵設(shè)計時，由于曲軸轉(zhuǎn)速低，曲柄銷上的旋轉(zhuǎn)慣性力是不需要平衡的，但這容易引起泵機(jī)組的振動，強(qiáng)烈的振動也會加速運(yùn)動件的磨損;二是液缸工作腔內(nèi)的活塞突然受到了大的沖擊力，致使連桿力突然增大，由于連桿和曲柄銷之間是滑動軸承配合，這樣連桿瓦與曲柄銷之間的油膜壓力變化幅度也增大，在曲軸銷軸表面形成較大的沖擊力，使曲柄銷軸表面在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生裂紋，并以較快的速度沿著最大切應(yīng)力方向由表面向內(nèi)擴(kuò)展。同時，突然增大的連桿力使連桿軸瓦與曲柄銷軸之間的油膜遭到破壞，在曲柄銷軸表面發(fā)生咬粘，造成磨損。當(dāng)液缸工作腔內(nèi)的液體發(fā)生空化和汽蝕時，容易發(fā)生水擊，致使活塞力突然增大，也就是連桿力會突然增大。為什么會在遠(yuǎn)離進(jìn)水管接口的工作腔內(nèi)的曲柄銷發(fā)生磨損呢?這是因為遠(yuǎn)離進(jìn)水管接口的液缸內(nèi)活塞在運(yùn)動時，由于液體運(yùn)動的距離遠(yuǎn)，液體不能及時進(jìn)入到工作腔中，工作腔內(nèi)的液體壓力降低，這時液體會發(fā)生空化和汽蝕現(xiàn)象，活塞發(fā)生脫流，產(chǎn)生水擊，使活塞力突然增大，連桿力也突然增大，導(dǎo)致該液缸的曲柄銷磨損。

4 改造試驗及效果

4.1 改造試驗

為了找出導(dǎo)致液缸工作腔內(nèi)的液體發(fā)生水擊，造成曲柄銷磨損問題的原因，對曲軸曲拐不平衡質(zhì)量進(jìn)行配重來平衡旋轉(zhuǎn)慣性力試驗和在液力端的中間設(shè)置進(jìn)水口，讓液體均勻地同時進(jìn)入兩個活塞工作腔中，消除由于液體不能及時進(jìn)入活塞工作腔，在工作腔中發(fā)生液體空化和汽蝕，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象的試驗。

經(jīng)計算曲軸曲柄銷的旋轉(zhuǎn)慣性力Fh=56 kN，平衡對稱位置ro=100 mm，平衡質(zhì)量mo=3 kg，曲軸最高轉(zhuǎn)速130 r/min，平衡質(zhì)量mo應(yīng)該加在曲軸曲柄銷對稱位置，但是曲軸是鑄造成型件，結(jié)構(gòu)比較緊湊，在曲柄銷對稱位置沒有加裝平衡塊的空間，只能考慮在連接大齒輪的連接盤上加裝平衡質(zhì)量塊了，連接盤上的空間也是有限的，這樣可以在大齒輪接盤上加裝平衡質(zhì)量的平衡條，同時在曲軸的大齒輪連接盤上加工減重孔，使大齒輪和曲軸一起達(dá)到平衡，組裝后進(jìn)行試驗，如圖3所示。

圖3 齒輪連接盤平衡條安裝位置示意圖

為了保證液體同時到達(dá)兩個液缸工作腔，設(shè)計加工了U型三通管連接液力端兩側(cè)的進(jìn)水口，進(jìn)行試驗。

4.2 改造試驗效果

加裝平衡旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡條后進(jìn)行了負(fù)載試驗，并測試了泵的輸入軸軸承和曲軸箱溫度，試驗測試結(jié)果見表2。

表2 加裝平衡條試驗結(jié)果表

從試驗測試結(jié)果看，加裝平衡旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡條后，測試軸承和曲軸箱體溫度，溫度的升高速度有所下降，但是溫升還是超過了技術(shù)要求規(guī)定的軸承溫升≯40℃，最高溫度≯80℃的要求，滿負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)了15 min，軸承溫度就達(dá)到了75℃，打開曲軸箱檢查，曲軸曲柄銷軸仍然是單個磨損。這說明平衡條可以平衡掉一部分旋轉(zhuǎn)慣性力，改善了曲軸的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，但沒有消除曲柄銷的磨損，這說明旋轉(zhuǎn)慣性力不是造成曲柄銷磨損的主要原因。

安裝U型三通管，讓液體從兩側(cè)同時進(jìn)入液力端的兩個液缸工作腔進(jìn)行試驗，測試輸入軸軸承和曲軸箱溫度，結(jié)果見表3。

表3 兩側(cè)進(jìn)液體試驗結(jié)果表

液體從兩側(cè)同時進(jìn)入液力端的液缸工作腔試驗結(jié)果是，軸承和箱體的溫度升高比較平穩(wěn)，溫升沒有超過40℃，最高溫度沒有超過80℃，符合泵的技術(shù)要求。打開曲軸箱檢查，齒輪嚙合比較均勻，曲軸的兩個曲柄銷無磨損現(xiàn)象。雖然消除了泵的溫升高和曲軸曲柄銷磨損問題，但是該泵一直是從單側(cè)接進(jìn)水管，沒有發(fā)生過軸承溫升高和曲柄銷磨損現(xiàn)象，若配置U型三通管則會增加泵的成本，現(xiàn)場使用也不方便。又仔細(xì)檢測了這批生產(chǎn)的液力端，發(fā)現(xiàn)液缸工作腔的進(jìn)排水流道小于技術(shù)要求。BW200型泵是雙缸雙作用泵，液力端的液缸工作腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)部有些腔道尺寸根本無法檢測和機(jī)加工，只能靠鑄造來保證，如果流道中有鑄造毛刺阻擋，也會減小流道的尺寸。液力端液缸工作腔流道結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 液力端結(jié)構(gòu)圖

在臥式銑床上進(jìn)行機(jī)加工修復(fù)，用三刃銑刀深入到液力端工作腔內(nèi)部修復(fù)流道尺寸，達(dá)到技術(shù)要求，修復(fù)裝配后重新做負(fù)載試驗，試驗結(jié)果如表4。

表4 修復(fù)液力端流道后試驗結(jié)果表

從試驗結(jié)果看，泵在滿負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸承和曲軸箱體溫度升高不多，檢查齒輪嚙合和曲柄銷磨損情況，齒輪嚙合均勻，曲柄銷沒有磨損現(xiàn)象，同時檢查箱體內(nèi)潤滑油的潔凈度和雜質(zhì)情況，潤滑油很干凈，沒有磨損的鐵屑等雜質(zhì)。

液體進(jìn)排工作腔的流道，是液體在整個工作腔中的阻力段，活塞在運(yùn)動時，如果流道尺寸變小，液體流動時受阻，不能及時進(jìn)入工作腔中，工作腔內(nèi)的液體壓力降低，會導(dǎo)致液體發(fā)生空化和汽蝕，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，使活塞力突然增大，致使連桿力突然增大，最終導(dǎo)致曲軸曲柄銷軸磨損。遠(yuǎn)離進(jìn)水管接口的工作腔更容易發(fā)生這種情況，這就是單邊曲軸曲柄銷軸發(fā)生磨損的原因。在以后的產(chǎn)品制造過程中嚴(yán)格控制了液力端的液缸工作腔流道的尺寸，再沒有發(fā)生類似的問題。

5 結(jié)語

(1)建立雙缸雙作用齒輪傳動的往復(fù)泵曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析和曲軸空間力系，進(jìn)行曲軸主要受力情況的計算，為分析問題的原因提供了依據(jù)。

(2)BW200型泵溫升高和曲軸曲柄銷軸磨損，主要是液力端件在鑄造時，液力端液缸工作腔流道尺寸變小，不符合技術(shù)要求，活塞運(yùn)動時液體在工作腔中發(fā)生空化和汽蝕，出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，連桿力突然增大，曲軸曲柄銷上的受力惡化，造成泵溫升增高和曲軸曲柄銷軸磨損。

(3)齒輪傳動的往復(fù)泵曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析和曲軸空間力系可用于同類泵的曲軸受力計算，往復(fù)泵液力端液缸工作腔流道尺寸應(yīng)加以控制，該方法對解決泥漿泵類似問題有借鑒意義。

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Cause Analysis on Crankshaft Wear of BW200 Reciprocating Pump and the Solution Measures

ZHOU Li-wen1，LI Zong-yi2，WANG An-ping1，TANG Jian1(1.Gansu Mechantronics Research Institute of Nuclear Industry，Tianshui Gansu 741025，China;2.Gansu Institute of Mechanical＆ Electrical Engineering，Tianshui Gansu 741001，China)

The crankshaft space force system of crank and connecting rod mechanism of gear transmission reciprocating pump was established for mechanical analysis on crankshaft crank pin shaft.Through adding balance strip to have rotating inertia force equilibrium and testing to change the interface position of intake pipe，the size change of intake and drainage channels at hydraulic end was found out to be caused by the water attack from the liquid in BW200 pump chamber，and the pump temperature increasing and crankshaft crank pin wearing were solved.

mud pump;reciprocating pump;crank and connecting rod mechanism;crankshaft wear;mechanical analysis

P634.3+2;TH321

A

1672－7428(2011)09－0074－04

2011－01－31

周利文(1957－)，男(漢族)，重慶人，甘肅省核工業(yè)機(jī)電研究所技術(shù)質(zhì)量科科長、工程師，機(jī)械制造專業(yè)，從事流體機(jī)械產(chǎn)品和工藝設(shè)計、技術(shù)和質(zhì)量管理工作，甘肅省天水市麥積區(qū)15號信箱，402234402@qq.com。