水泵聯(lián)軸器的改造

雷震彬，許大洪

（1.南寧化工集團有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西高峰礦業(yè)有限責任公司，廣西 河池 547205）

0 引言

廣西某礦業(yè)有限責任公司選礦廠旁邊設計廠前回水塘，選礦回水全部在此匯集。回水塘旁邊設計一座泵站，泵站內(nèi)安裝四臺水泵，水泵將水塘內(nèi)回水輸送至高差70 m 的高位水池，供生產(chǎn)使用。四臺水泵中，有兩臺300S90 水泵（編號1#、2#），兩臺200D43×3 三級泵（編號3#、4#）。一般來說，常開1#水泵和3#水泵，水量能正常滿足生產(chǎn)需要。

1 存在問題

看水泵型號可知，1#、2#泵為單級雙吸離心泵，3#、4#泵為三級離心泵。這四臺水泵安裝的聯(lián)軸器均為彈性套柱銷聯(lián)軸器。彈性套柱銷聯(lián)軸器是利用一端裝有彈性套的柱銷，裝在兩半聯(lián)軸器凸緣孔中，實現(xiàn)兩半聯(lián)軸器連接的一種聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器曾經(jīng)是我國應用最廣泛的聯(lián)軸器，早在20 世紀50 年代末期即已制訂為機械部標準：JB 108-60 彈性圈柱的銷聯(lián)軸器，之后逐步升級，現(xiàn)行國家標準為GB/T 4323—2017?，F(xiàn)在工廠中，彈性套柱銷聯(lián)軸器應用仍然較多，尤其適用于頻繁正反轉(zhuǎn)的設備中。

使用中，課題小組發(fā)現(xiàn)，3#水泵聯(lián)軸器的彈性套的使用壽命較短，需要定期更換。經(jīng)統(tǒng)計，彈性套的平均使用壽命僅為600 h，年更換14 次。更換彈性套時需要先開起備用泵，再停故障泵，隨后更換。更換時間長達2 小時。更換時，還需要對聯(lián)軸器全面檢查，是否存在磨損，磨損超差了，需要一同更換。頻繁更換彈性套，不僅浪費人力、物力，財力，浪費時間，也不能滿足生產(chǎn)需要。

相比之下，1# 泵的聯(lián)軸器中的彈性套使用壽命長，壽命為7500 ，比3#泵多6900 h。同樣是彈性套柱銷聯(lián)軸器，安裝在不同型號的水泵上，其彈性套的使用壽命相差巨大。因此，課題小組對3#泵的聯(lián)軸器進行攻關，將所有影響因素都查找出來，制定方案進行整改。

2 問題分析

下面課題小組對影響聯(lián)軸器彈性套使用壽命的因素逐一進行分析，有針對性進行整改實驗，以提高聯(lián)軸器的使用壽命。

2.1 彈性套與銷軸的配合性質(zhì)對壽命的影響

圖1 是未使用過的新彈性套。附圖2 是更換下來的損壞的彈性套。

圖1 新彈性套

圖2 損壞的彈性套

從圖2 可以看到，新的彈性套為圓形件，它的尺寸為φ35 mm 外徑×φ18 mm 內(nèi)徑× 10 mm 厚度。損壞的彈性套都是一側(cè)嚴重磨損，甚至磨損至開口，另一側(cè)基本上完好無損。與彈性套外圓配合的是電機的半聯(lián)軸器。在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，電機半聯(lián)軸器上的銷孔表面光滑，沒有磨損痕跡。與彈性套內(nèi)孔配合的是銷軸，配合處比較光亮，有偏磨的痕跡。根據(jù)這些表象，我們初步判斷為彈性套損壞原因是銷軸與彈性套配合過松。如果銷軸與彈性套配合過松，受力中，兩者之間會產(chǎn)生相對位移，發(fā)生相互摩擦，摩擦產(chǎn)生磨損，致使損壞。于是，將它們之間的配合性質(zhì)進行改變，原來的配合為過渡配合，我們改為過盈配合。過盈量為0.3 ～0.4 mm[1]。

將銷軸與彈性套的配合改為過盈配合后，彈性套的使用壽命提高到了900 h，比之前多300 h。對聯(lián)軸器檢查，依然是彈性套內(nèi)孔一側(cè)嚴重磨損，銷軸輕微磨損。

實驗證明，銷軸與彈性套的配合性質(zhì)不是影響彈性套的主要因素。

2.2 彈性套材質(zhì)對壽命的影響

彈性套作為聯(lián)軸器重要零件，將電機的動力傳遞給水泵，受力很大。如果材質(zhì)選用不當，必將會影響其使用壽命。我們廠彈性套的材質(zhì)為耐油橡膠，這種材質(zhì)除了具有較高的彈性和耐磨性外，還具有較好的耐油性。在生產(chǎn)現(xiàn)場，維修設備中，彈性套可能會沾到油脂。彈性套的材質(zhì)選用耐油橡膠，就可以避免油脂對彈性套的腐蝕，避免油脂對彈性套的不良影響?，F(xiàn)在耐油橡膠彈性套安裝在3#泵上，使用壽命低。通過查閱相關資料，一致認為，彈性套材質(zhì)改為聚氨脂會更好。

聚氨脂是一種高分子材料，抗壓強度比耐油橡膠高。聚氨脂既耐磨，又有彈性，同時也耐油脂腐蝕[2]。聚氨脂作為彈性套，比耐油橡膠好。市場上可以購買到這種產(chǎn)品。將聚氨脂彈性套裝到水泵上使用，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，聚氨脂彈性套的使用壽命為1240 h。

實驗證明，彈性套的材質(zhì)無論是耐油橡膠，還是聚氨脂，對其使用壽命的影響不大，不是影響壽命的主要因素。

2.3 彈性套厚度對壽命的影響

3#水泵安裝的聯(lián)軸器是標準的彈性套柱銷聯(lián)軸器，它的φ216 mm 圓周上均勻分布10 個柱銷，每個柱銷上套放了4 個彈性套，10 個柱銷上套放了40 個彈性套。彈性套的尺寸為φ35 mm 外徑×φ18 mm 內(nèi)徑× 10 mm 厚度，它的厚度薄，體積小，變形量有限，不可能發(fā)生較大變形。如果受力較大，產(chǎn)生了較大變形，就會加速其損壞。單個彈性套體積小，容易損壞，將4 個彈性套合在一起，變成一個彈性圓環(huán)，體積增大了，抵抗變形的能力會得到提高，不易損壞。

將標準的彈性套改為非標的彈性圓環(huán)，是一種大膽的探索。通過供應商采購聚氨脂材質(zhì)的彈性圓環(huán)。應用后，彈性圓環(huán)的使用壽命1600 h。實驗證明，彈性套厚度不是影響其壽命的主要因素。

2.4 水泵與電機的同軸度對彈性套壽命的影響

如果水泵軸線與電機軸線的同軸度超差，會在聯(lián)軸器上產(chǎn)生很大的應力，會造成聯(lián)軸器銷軸與彈性套之間有較大的相對運動，加劇它們之間磨損，彈性套容易損壞。水泵廠家要求，水泵與電機的同軸度小于0.1 mm。

對3#泵聯(lián)軸器進行檢查。聯(lián)軸器加工精度較高，銷孔的內(nèi)壁光滑，分布均勻，不會影響到泵與電機的正常使用及彈性套的使用壽命。然后，對聯(lián)軸器安裝精度進行測量。測量發(fā)現(xiàn)，電機中心線比泵中心線高0.15 mm，左右偏離0.09 mm。對照廠家要求，同軸度超差，需要調(diào)整。我們使用百分表，以水泵半聯(lián)軸器為基準，測量電機半聯(lián)軸器的外圓及端面的跳動。通過調(diào)整墊片厚度，通過左右移動電機位置，保證電機半聯(lián)軸器的跳動度在0～0.06 mm[3]。

精確校好了水泵與電機的同軸度，保證水泵及電機安裝符合廠家安裝要求，然后開機運行。這次，聯(lián)軸器的彈性套的使用壽命為1800 h。

實驗證明，水泵與電機同軸度也不是影響聯(lián)軸器彈性套的主要因素。

2.5 泵軸竄動對彈性套壽命的影響

1# 水泵與3# 水泵聯(lián)軸器的型號都是彈性套柱銷聯(lián)軸器，但它們的彈性套的使用壽命相差巨大。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)：1#水泵聯(lián)軸器彈性套的使用壽命7500 h，它是單級雙吸離心泵。這種水泵內(nèi)的葉輪是由2 個葉輪背靠背鑄成，因而葉輪受到的軸向推力相互抵消，達到平衡，泵軸上沒有軸向推力。泵軸由2 個深溝滾子軸承支承，固定可靠，運轉(zhuǎn)中，泵軸沒有軸向竄動。而3#水泵為三級離心泵，泵軸上裝有3 個葉輪，3個葉輪依次串在一起。我們對運轉(zhuǎn)中的水泵泵軸進行觀察，發(fā)現(xiàn)泵軸一直處于軸向竄動狀態(tài)。一會向傳動端竄動，一會向非傳動端竄動，竄動的位移1～3 mm不等。

泵軸的竄動是對泵軸軸向力的自動平衡[4]。原來，泵軸上安裝了3 個葉輪和1 個平衡盤。由于3 個葉輪的前后蓋板的形狀不對稱，會產(chǎn)生一個軸向力。這個軸向力指向泵的傳動端（吸入端），使泵軸及葉輪向傳動端竄動。為了防止竄動造成葉輪與泵體碰撞損壞，在泵軸后端設計安裝了1 個平衡盤，通過平衡盤與泵體之間形成的空間的液體壓力的變化，來控制泵軸的竄動，達到泵軸的軸向力的平衡。

泵軸的竄動平衡了軸向力，避免水泵零件碰撞損壞，讓水泵穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，可對聯(lián)軸器的彈性套不利。彈性套會受到竄動的影響，不斷與銷軸摩擦，摩擦產(chǎn)生磨損，最后導致彈性套損壞。因此可以判斷泵軸的竄動是彈性套損壞的主要原因。

其實，不管彈性套的形狀尺寸如何改變，工作中，彈性套的一側(cè)始終處于受擠壓狀態(tài)，另一側(cè)則處于自由狀態(tài)。受擠壓那一面同時受到泵軸的軸向力和徑向力作用，逐漸疲勞，逐漸磨損，較快失效。

為了有效提高聯(lián)軸器的使用壽命，降低其故障率，決定對聯(lián)軸器進行改造。

3 新聯(lián)軸器的選用

鑒于3#水泵泵軸存在軸向竄動，竄動是聯(lián)軸器上的彈性套損壞的主要原因。因而我們決定不再使用彈性套柱銷聯(lián)軸器，另選其它聯(lián)軸器，所選的聯(lián)軸器必須具有適應泵軸竄動而不損壞的功能?？紤]到聯(lián)軸器存在制造誤差和安裝誤差及聯(lián)軸器必須加工方便，安裝方便，維修方便，我們決定將水泵的聯(lián)軸器改為彈性柱銷聯(lián)軸器。

彈性柱銷聯(lián)軸器是利用若干非金屬彈性材料制成的柱銷，置于兩半聯(lián)軸器凸緣孔中，通過柱銷實現(xiàn)兩半聯(lián)軸器聯(lián)接的一種聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點是，額定轉(zhuǎn)矩大，適應大功率設備使用[5]。同時，能適應泵軸的竄動，柱銷在泵軸的竄動中受到的損傷極小。柱銷的材質(zhì)一般選尼龍6。彈性柱銷聯(lián)軸器外形圖如圖3。

圖3 彈性柱銷聯(lián)軸器外形

對彈性柱銷聯(lián)軸器進行計算選型。

電機功率160 kW，額定轉(zhuǎn)速1450 r/min，其額定轉(zhuǎn)矩為：

式中：p為電機功率，kW；n為電機轉(zhuǎn)速，r/min。

新聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩：

式中，K為工況系數(shù)，水泵為重負荷機械，K取2.75。

考慮水泵軸軸頭直徑為65 mm，電機軸頭80 mm，根據(jù)GB/T 5014—2017 彈性柱銷聯(lián)軸器標準，選用LX6 型聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為6300 N·m[6]。聯(lián)軸器的外徑280 mm，柱銷所在圓周的直徑218 mm，柱銷直徑42 mm，10 個柱銷均布。

4 新聯(lián)軸器的使用壽命

彈性柱銷聯(lián)軸器在200D43×3 水泵（3#）上的安裝如圖4 所示。

圖4 彈性柱銷聯(lián)軸器安裝

新聯(lián)軸器安裝使用以后，水泵運行狀態(tài)良好。新聯(lián)軸器是以尼龍柱銷逐漸磨損，最后折斷而失效的。它的使用壽命為6120 h，比初始使用彈性套柱銷聯(lián)軸器的壽命（600 h）多5520 h，提高了10.02 倍。

5 結(jié)語

彈性套柱銷聯(lián)軸器在選礦廠200D43×3 水泵上使用，彈性套的使用壽命低，需要頻繁更換，不能滿足生產(chǎn)要求。通過查找，找出影響彈性套使用壽命的5 個因素，其中，主要因素是水泵泵軸的軸向竄動。

將水泵改造為彈性柱銷聯(lián)軸器后，使用壽命比原聯(lián)軸器提高10.02 倍。說明此次聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)型改造是成功的，彈性柱銷聯(lián)軸器比彈性套柱銷聯(lián)軸器更適合在200D43×3 水泵上使用。