小功率臥式高速泵滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的最小化改進(jìn)

張立強(qiáng)，劉海麗，高 虹

（北京航天動(dòng)力研究所，北京100076）

0 引言

隨著全球石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對機(jī)泵的技術(shù)質(zhì)量要求日益提高，機(jī)泵類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的更新升級[1]，機(jī)泵類產(chǎn)品對于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的偏離越來越不被使用現(xiàn)場所接受，同時(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場對機(jī)泵整體噪聲、振動(dòng)的要求也越來越嚴(yán)格[2]，因此產(chǎn)品的改進(jìn)升級也越來越受到了各方的重視，在近幾年的使用中，高速泵行業(yè)體現(xiàn)的尤為明顯。

原有小功率臥式高速泵外形如圖1所示。該泵由B35式電動(dòng)機(jī)與增速箱直聯(lián)，利用電動(dòng)機(jī)輸出軸作為增速箱的低速軸。增速箱采用飛濺潤滑[3]，高速軸為滾動(dòng)軸承支撐，最高轉(zhuǎn)速為9 106 rpm，性能參數(shù)范圍為：最大流量30 m3/h，最高揚(yáng)程500 m，最大電機(jī)功率37 kW。本泵型最初的設(shè)計(jì)原則是結(jié)構(gòu)緊湊。

API 610作為機(jī)泵行業(yè)遵循的一項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從2003年修訂的第9版開始，規(guī)定高速泵增速箱與驅(qū)動(dòng)機(jī)之間需用撓性聯(lián)軸器連接[4]。與此同時(shí)，原泵型在現(xiàn)場實(shí)際使用中也反映出一些不便于日常維護(hù)的缺點(diǎn)。由于原泵電機(jī)與增速箱直聯(lián)，造成維護(hù)檢修該泵增速箱時(shí)需將電機(jī)及增速箱同時(shí)拆解，在使用現(xiàn)場需多個(gè)專業(yè)同時(shí)配合才能完成。在結(jié)構(gòu)方面，電機(jī)軸與增速箱潤滑油直接接觸，易造成潤滑油反滲透至電機(jī)內(nèi)部，對于要求防爆的生產(chǎn)現(xiàn)場存在一定的安全隱患。在一般的石油化工建設(shè)項(xiàng)目中，在全裝置投料初期，都會要求對所有旋轉(zhuǎn)設(shè)備的電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)試車，由于原泵增速箱結(jié)構(gòu)的限制，該泵型無法滿足電機(jī)單試或者驗(yàn)收的要求，同時(shí)該泵電機(jī)尺寸屬于特殊定制，使用現(xiàn)場出現(xiàn)問題后也無法及時(shí)實(shí)現(xiàn)與通用電機(jī)的互換，造成該泵用電機(jī)通用性不足，導(dǎo)致使用成本增加。

圖1 小功率臥式高速泵Fig.1 Horizontal miniwatt high-speed pump

1 高速泵的結(jié)構(gòu)改進(jìn)過程

1.1 高速泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)原則

高速泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的是在保證該泵各項(xiàng)技術(shù)性能不變的前提下，符合最新的國際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)針對原有高速泵結(jié)構(gòu)上的諸多不足進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，而且改進(jìn)后新泵型的成本保持與原泵型基本相當(dāng)，這樣才能使新泵型保持技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的雙優(yōu)勢。

基于以上的設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)中堅(jiān)持最大化使用現(xiàn)有零部件的原則，對泵頭水力及密封部分不做改動(dòng)，僅對增速箱結(jié)構(gòu)、電機(jī)連接方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能最大化的提高零部件的通用性，同時(shí)盡量減少新零部件的種類和數(shù)量。

1.2 應(yīng)用分解與組合思維改進(jìn)增速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了將原泵型增速箱與電動(dòng)機(jī)分離（圖2a），就必須對原增速箱（圖2b）進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)最直接的方式是重新對增速箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是重新設(shè)計(jì)就意味著將產(chǎn)生一個(gè)全新的增速箱，改動(dòng)后必然造成成本大幅提高及原有零部件的大量報(bào)廢。這與最初的設(shè)計(jì)目的和原則是不符的。同時(shí)，由于增速箱為高速泵核心部件，設(shè)計(jì)全新增速箱將大大提高改型后整泵機(jī)械性能的不確定性。

圖2 原小功率臥式高速泵剖面圖Fig.2 Cross-section drawing of original horizontal miniwatt High-speed pump

應(yīng)用分解與組合思維[5]改進(jìn)增速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，新結(jié)構(gòu)必須在利用原有增速箱的基礎(chǔ)上展開。按照移植思維法則的設(shè)計(jì)方法，利用原有的增速箱就需有新零件來承擔(dān)原有電機(jī)端蓋的功能，即新零件需要具有以下幾項(xiàng)功能：①可以和原有增速箱無縫對接（作為增速箱的端蓋，新零件應(yīng)該可以和原有增速箱無縫對接）；②可以承載低速軸（由于設(shè)置聯(lián)軸器，需重新設(shè)計(jì)低速軸以替代原有電機(jī)軸，新的低速軸需有新的零件來承載）；③作為整泵的底腳支撐（原泵型所有零部件重量通過增速箱與電機(jī)的連接最終都由電機(jī)底腳來承擔(dān)，因此該新零件也必須要具有承載整泵重量的功能）。

將以上3項(xiàng)功能進(jìn)行組合，利用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks設(shè)計(jì)了新端蓋零件（圖3）。此新零件的各尺寸分別參考了原電機(jī)端蓋尺寸、電機(jī)軸尺寸以及低速齒輪尺寸等參數(shù)，在此不再贅述。為加強(qiáng)該零件的上述第③項(xiàng)功能，分別在零部件內(nèi)外部均增設(shè)加強(qiáng)筋。

圖3 新增速箱端蓋三維模型Fig.3 Three-dimensional model of side cover on new gearbox

1.3 低速軸潤滑設(shè)計(jì)及剛度校核

原泵型低速軸由電機(jī)軸代替，因此對于整泵本身并不涉及低速軸承的潤滑。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，由于增加了低速軸，所以必須解決低速軸承的潤滑問題。由于齒輪及高速軸承采用飛濺油潤滑[6]，如果低速軸承沿用電機(jī)的脂潤滑方式，齒輪箱的噪聲、溫升等參數(shù)受不同潤滑脂的影響較大[7]，同時(shí)還涉及到防止齒輪箱潤滑油進(jìn)入低速軸承的密封問題，故在綜合考慮后，低速軸依然采用油潤滑的方案。

在低速軸的潤滑設(shè)計(jì)中，利用齒輪箱油位線高于低速軸承外圈的特點(diǎn)（圖4），設(shè)計(jì)低速軸承的定位肩高于軸承外圈而略低于油位線，這樣可以滿足在齒輪箱加油時(shí)，潤滑油可以順利進(jìn)入增速箱端蓋的空腔內(nèi)，而在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸承定位肩的存在，又可以使?jié)櫥土粼诳涨粌?nèi)，保證對低速軸承的持續(xù)潤滑，使低速軸承處于油浴潤滑的狀態(tài)，即減小了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性又降低了運(yùn)行使用的維護(hù)費(fèi)用。

圖4 新增速箱端蓋剖面圖及局部放大圖Fig.4 Cross-section drawing and partial enlarged detail for side cover on new gearbox

高速泵傳動(dòng)部件的核心即為增速箱部分，而影響增速箱齒輪壽命、振動(dòng)、噪聲等性能指標(biāo)的重要因素就是軸系的剛性[8]，軸系剛性不足將使高速齒輪嚙合達(dá)不到應(yīng)有的精度要求，嚴(yán)重影響齒輪壽命及增速箱機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)性能[9]。按照成本最小化原則，低速軸承選用高速泵通用型號6308軸承，配備最大功率37 kW電機(jī)對低速軸的剛性進(jìn)行校核。低速軸受力情況分析如下（圖5）。

按照該泵最大功率計(jì)算，低速軸傳遞轉(zhuǎn)矩[10]

式中：P為傳遞功率，kW；n為低速軸轉(zhuǎn)速，rpm。

圖5 低速軸組件受力分析Fig.5 Force analysis diagram of low speed shaft

由此可知低速軸受到最大轉(zhuǎn)矩M2=9.55×106×37/3000=117783 N·mm

已有低速齒輪最小半徑R=78 mm，則Fr=M2/R=117 783/78=1 510 N

在切向力Fr的作用下，低速軸齒輪處撓曲變形和轉(zhuǎn)角為[11]：

式中：E為低速軸材料彈性模量，E=210 GPa；I為慣性矩，對于低速軸而言I=πd4/64=3.14×404/64=1.256×10-7m， B=113 mm，C=50 mm。由此可知：δ=7.8×10-3mm，θ=1.8×10-4。

按照標(biāo)準(zhǔn)[5]，齒輪軸的許用撓度要小于齒輪模數(shù)的0.01～0.03倍，許用偏轉(zhuǎn)角要小于0.005 rad。該低速齒輪模數(shù)為1.5，顯然上述計(jì)算值都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求范圍之內(nèi)，說明低速軸承跨度的選擇以及軸徑的選擇都是滿足要求的。

1.4 其余零部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)

低速軸聯(lián)軸器安裝側(cè)軸徑尺寸按照與已有小功率立式高速泵相同的設(shè)計(jì)，使得改型后的新結(jié)構(gòu)可以與其他高速泵聯(lián)軸器、聯(lián)軸器用平鍵以及骨架油封[5]通用，最大化使用已有產(chǎn)品庫存，減少成本投入。

在新泵型的設(shè)計(jì)開發(fā)中新零部件還有軸承壓蓋、軸套等，對整泵而言共涉及新零部件5件，相對于原泵的近80種零部件而言，新泵型使用已有配件占到了近95%，最大程度的減少了新泵改型成本并保證了已有優(yōu)越性能的延續(xù)，也大幅降低了改進(jìn)改型失敗的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后增速箱三維模型如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后增速箱部分三維模型Fig.6 Three-dimensional model of improved gearbox

2 優(yōu)化改進(jìn)后樣機(jī)成套及試驗(yàn)結(jié)果分析

由于在設(shè)計(jì)階段按照成本最小化以及零部件通用化的原則進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，因此改型后的新泵只需額外加工5件新設(shè)計(jì)零件，其余均可使用高速泵已有庫存零部件。最終在最小的成本下完成了新泵樣機(jī)的成套，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后樣機(jī)實(shí)物圖Fig.7 Picture of prototype for improved pump

2.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后高速泵性能試驗(yàn)比較

高速泵由于轉(zhuǎn)速高，機(jī)組的振動(dòng)是影響其安全運(yùn)行的重要因素，也直接反應(yīng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行狀況[12]。在樣機(jī)成套后，該泵在試驗(yàn)臺滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)6小時(shí)，隨后進(jìn)行了包括水力性能、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)、振動(dòng)、噪聲及軸承溫度在內(nèi)的試驗(yàn)。由于該泵并不涉及水力性能的改變，所以在此不再列舉水力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。表1和表2是結(jié)構(gòu)改進(jìn)后和改進(jìn)前在振動(dòng)、噪聲、溫度等關(guān)鍵參數(shù)方面的對比數(shù)據(jù)。

從表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的振動(dòng)速度、振動(dòng)位移、噪聲以及軸承溫度不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)之初的要求，振動(dòng)速度、振動(dòng)位移的相關(guān)數(shù)據(jù)更優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。分析原因認(rèn)為，雖然改進(jìn)后相較于原設(shè)計(jì)增加了傳動(dòng)環(huán)節(jié)（聯(lián)軸器），但是由于原結(jié)構(gòu)中的增速箱以及泵頭都直接與電動(dòng)機(jī)剛性連接，B35安裝方式的電動(dòng)機(jī)法蘭端面加工精度直接決定了增速箱配合的精度，而此法蘭端面的精度只能由電機(jī)制造廠來保證，無法精確達(dá)到高速泵的要求；另外，由于原結(jié)構(gòu)中電機(jī)及增速箱、泵都為剛性一體結(jié)構(gòu)，因此電機(jī)本身的振動(dòng)也直接反映在了泵機(jī)組上[13]，電機(jī)振動(dòng)的超標(biāo)將直接導(dǎo)致泵機(jī)組的振動(dòng)超標(biāo)[14]；改進(jìn)結(jié)構(gòu)采用了撓性聯(lián)軸器，將電機(jī)的振動(dòng)與泵機(jī)組隔離，因此在保證加工及裝配精度的前提下，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)小于原結(jié)構(gòu)。經(jīng)試驗(yàn)，樣機(jī)各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到了高速泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)一次成功。

表1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后樣機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of vibration data before and after structure optimization

表2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后樣機(jī)噪聲和溫度數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of noise and temperature data before anf after structure optimization

2.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)外形參數(shù)及成本比較

改進(jìn)后的高速泵相對于原設(shè)計(jì)而言，前者在寬度、高度以及長度方向上都有所增加。按照18.5 kW電機(jī)、單端面密封的配置，改進(jìn)后整泵長度為1 366 mm，原長度為1 142 mm。

改進(jìn)結(jié)構(gòu)外形尺寸的增加主要原因是聯(lián)軸器的設(shè)置，該泵結(jié)構(gòu)尺寸的增大幅度較小，屬于帶聯(lián)軸器高速泵外形尺寸的合理范圍，其外形參數(shù)可以滿足用戶的需求。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后整泵零部件總體略有增加，如果將人工成本及出廠試驗(yàn)等各項(xiàng)軟成本計(jì)算在內(nèi)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的成本增加占整機(jī)成本的比例可以控制在5%以內(nèi)，該成本的增長是可以接受的。

進(jìn)一步考慮實(shí)際應(yīng)用的情況，結(jié)構(gòu)改型后對于現(xiàn)場的使用維護(hù)成本等各方面效益的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)大于其成本增長的影響，該泵也符合了最新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以大幅提高該泵型的適用范圍[15]，因此本次結(jié)構(gòu)改進(jìn)有著積極的意義。該泵改進(jìn)的成功也說明了相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)對于提高國內(nèi)機(jī)泵行業(yè)的整體實(shí)力和產(chǎn)品質(zhì)量有著積極的促進(jìn)作用，對國內(nèi)機(jī)泵行業(yè)的更新?lián)Q代有重要的借鑒意義。

3 結(jié)論

為滿足API 610國際標(biāo)準(zhǔn)要求，對原有小功率臥式高速泵按照組合設(shè)計(jì)開發(fā)了新的增速箱。改進(jìn)設(shè)計(jì)中，最大限度采用原有增速箱及相關(guān)零部件，并將新的低速軸承由原來的脂潤滑改為油浴潤滑。

經(jīng)過試驗(yàn)，表明改進(jìn)設(shè)計(jì)后該泵型各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)良好，低速軸承溫度降低，加裝聯(lián)軸器后整泵機(jī)組的振動(dòng)速度與振動(dòng)位移也大幅減小，符合新標(biāo)準(zhǔn)的要求。該泵型的改進(jìn)提高了維護(hù)便利性和適用范圍，外形滿足用戶要求，成本增幅控制在5%可接受的范圍內(nèi)。

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