帶軸頭機(jī)械密封改進(jìn)性設(shè)計(jì)

劉廣棟， 劉勇進(jìn)， 曹春榮

（1.青島航保機(jī)電設(shè)備有限公司， 山東 青島 266114；2.92330 部隊(duì)， 山東 青島 266103；3.青島市政府發(fā)改委， 山東 青島 266000）

引言

在役某型海水泵機(jī)械密封安裝方式特殊，需要通過機(jī)械密封尾端設(shè)計(jì)延長軸頭，軸頭安裝在電機(jī)軸上，葉輪安裝在軸頭尾部。延長軸頭作為機(jī)械密封零部件整合在機(jī)封設(shè)計(jì)方案中，兼顧固定機(jī)械密封、延長軸、固定泵葉輪功能，對(duì)設(shè)計(jì)要求較高。工作中，受機(jī)械密封整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、施工等諸多因素影響，經(jīng)常出現(xiàn)葉輪安裝后跳動(dòng)量超標(biāo)（達(dá)0.06～0.08 mm）、泵組運(yùn)行振動(dòng)大、機(jī)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(duì)系統(tǒng)整體安全性產(chǎn)生較大影響。

1 原機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

如圖1 所示為機(jī)械密封總體結(jié)構(gòu)圖，從圖1 可以看出，電機(jī)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(jī)械密封總體結(jié)構(gòu)

此型機(jī)封安裝順序：將機(jī)械密封主體部分（不包括軸頭）安裝到電機(jī)軸上；安裝泵殼；將軸頭旋入電機(jī)軸，安裝牢固；將機(jī)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(jī)械密封底端；安裝葉輪[1]。

機(jī)械密封安裝完畢后，密封軸套頂端與電機(jī)軸臺(tái)肩之間有間隙，間隙大小受電機(jī)、泵體安裝精度影響。泵組工作時(shí)，電機(jī)電動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，軸傳動(dòng)給軸頭，軸頭傳動(dòng)給機(jī)械密封動(dòng)環(huán)組件以及葉輪。

電機(jī)軸與軸頭配合公差為軸徑Ф25h6，機(jī)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。

2 原機(jī)械密封方案隱患分析

從整體結(jié)構(gòu)上分析，原機(jī)械密封安裝失準(zhǔn)、密封性能失效原因如下：

2.1 軸頭存在未安裝到位風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)械密封軸套軸向定位完全依賴于軸頭與電機(jī)軸的旋入深度。機(jī)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(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致機(jī)械密封軸向數(shù)據(jù)失準(zhǔn)，工作參數(shù)變化，密封整體性能下降；同時(shí)也造成安裝在軸頭上的葉輪工作不穩(wěn)定。

2.2 機(jī)械密封在電機(jī)反轉(zhuǎn)工況下存在密封失效風(fēng)險(xiǎn)

如圖1 所示，從結(jié)構(gòu)上分析，機(jī)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(jī)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(dòng)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向必須與電機(jī)軸尾端螺紋旋向相反。

經(jīng)查，此型號(hào)海水泵在工作中有短時(shí)的反轉(zhuǎn)工況。在長時(shí)間工作狀態(tài)下，機(jī)械密封軸頭與電機(jī)軸之間的螺紋連接存在松脫的可能[2]。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)在軸頭上產(chǎn)生的扭矩大于軸頭與電機(jī)軸之間螺紋連接阻力力矩時(shí)，軸套旋入結(jié)構(gòu)連接松脫、軸套下移，導(dǎo)致機(jī)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。

2.3 軸頭裝配精度低，造成徑向跳動(dòng)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)

作為安裝泵葉輪的軸頭，其徑向跳動(dòng)量要求小于0.04 mm。軸頭的跳動(dòng)量完全取決于軸頭與電機(jī)軸之間的安裝精度。在原方案中，軸頭與機(jī)械密封軸套、軸頭與電機(jī)軸之間均為間隙配合，且間隙值達(dá)0.1～0.15，此兩處配合均無法定位電機(jī)軸與軸頭。軸頭的定位完全由軸頭與電機(jī)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(shí)現(xiàn)軸頭精確定位。軸頭跳動(dòng)量超標(biāo)直接導(dǎo)致葉輪安裝形位失準(zhǔn)，造成泵組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)偏大，影響機(jī)械密封的密封性能。

從以上分析可以看出，軸頭達(dá)不到徑向跳動(dòng)允許差0.04 mm，屬于設(shè)計(jì)本身固有缺陷，沒有考慮軸頭精確定位因素。

3 改進(jìn)性設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)封結(jié)構(gòu)整體改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)兼容泵組正反轉(zhuǎn)功能

1）密封環(huán)傳動(dòng)方式由原方案的螺母鎖緊方式改為傳動(dòng)銷傳動(dòng)，傳動(dòng)可靠，避免了泵反轉(zhuǎn)時(shí)密封環(huán)鎖緊螺母松脫風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)簡化機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。

2）機(jī)械密封軸頭、軸套通過頂端的凹端緊定螺釘鎖在電機(jī)軸上，電機(jī)軸通過緊定螺釘向機(jī)械密封軸套、軸頭傳遞扭矩[3]。軸頭通過6 個(gè)緊定螺釘固定與機(jī)械密封軸套底部，葉輪通過兩個(gè)緊固螺母固定在軸頭。此方案優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)扭矩傳遞與軸頭和電機(jī)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(fēng)險(xiǎn)。

如圖2 所示為改進(jìn)性設(shè)計(jì)總體方案示意圖。新型機(jī)封安裝順序：將機(jī)械密封主體部分（不包括軸頭）安裝到電機(jī)軸上；安裝泵殼；將軸頭旋入電機(jī)軸，安裝牢固；將機(jī)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(jī)械密封底端；鎖緊機(jī)械密封軸套頂端的緊定螺釘，機(jī)封軸向定位；安裝葉輪。

圖2 改進(jìn)性設(shè)計(jì)總體方案（單位：mm）

3.2 改變機(jī)封軸套與電機(jī)軸之間密封型式

在軸套與軸頭之間設(shè)置O 型密封圈，密封組件在機(jī)械密封內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，密封簡單、可靠。

3.3 改變軸頭與軸公差配合

電機(jī)軸尺寸公差為Ф25h6，根據(jù)GB/T 1801—2009，基準(zhǔn)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(jìn)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(cè)量，跳動(dòng)量小于0.02 mm。拆卸后發(fā)現(xiàn)軸頭內(nèi)孔嚴(yán)重拉傷、報(bào)廢，電機(jī)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(cè)量，跳動(dòng)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(bào)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(cè)量，跳動(dòng)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(yàn)、調(diào)整，綜合滿足軸頭跳動(dòng)量技術(shù)指標(biāo)、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(dòng)小于0.04 mm。

4 運(yùn)行考核試驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)械密封安裝改進(jìn)方案實(shí)施后，進(jìn)行了100 h 長時(shí)間臺(tái)架運(yùn)行考核，期間進(jìn)行了3 次拆裝檢查，機(jī)械密封工作正常；軸頭拆裝便捷、軸頭跳動(dòng)量在0.020～0.035 mm，符合技術(shù)要求。目前改型機(jī)封已經(jīng)量產(chǎn)并裝備使用。

5 結(jié)語

整體泵組設(shè)計(jì)存在電機(jī)軸短的缺陷，在不改變電機(jī)、泵葉輪、泵殼組件技術(shù)條件的情況下，通過優(yōu)化機(jī)械密封設(shè)計(jì)，特別是優(yōu)化延長軸頭設(shè)計(jì)，調(diào)整配合間隙、安裝方式等，實(shí)現(xiàn)了在役裝備的改進(jìn)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(jì)效益。