浸入式離心泵斷軸分析方法淺析

蔣雄強

（南方泵業(yè)股份有限公司，浙江杭州 311228）

0 引言

在化工石油行業(yè)生產中，原料、半成品和成品大多數是液體，泵不僅起輸送液體和提供化學反應壓力及流量的作用，而且在很多裝置中還用來調節(jié)溫度，一旦出現故障往往會使整個系統停止工作。因此，有人把泵比喻為化工工藝流程中的“心臟”。

隨著全球經濟發(fā)展，以及智能水泵、數字水泵、鋰電泵等專業(yè)商用泵的制造工藝技術水平不斷進步，家庭排水、農田水利、飲水安全工程、商業(yè)配套等下游領域對水泵的應用不斷擴大，需求量逐年增加。2018—2024 年，年復合增長率為5.81%，2024 年水泵市場總規(guī)模達到665 億美元。

目前我國水泵生產廠家數量達6000 多家，但規(guī)模以上企業(yè)只有約1300 家，大部分水泵廠家生產規(guī)模小、經營粗放、技術水平低、工藝和裝備相對落后，沒有形成規(guī)模經濟效應，水泵品牌知名度低。近年來，國內水泵生產企業(yè)在產品研發(fā)能力和生產技術水平取得了較大進步，從傳統的單體制造生產線向智能化、自動化生產線轉變，并大大拉動制造業(yè)中自動化技術應用的需求。目前我國行業(yè)領先企業(yè)的產品，已接近世界同類產品先進水平。

1 QC 改善過程

1.1 立項原因

2021 年3 月，某辦事處反饋客戶現場發(fā)生了泵軸斷裂事故，為同批次的同一款浸入式多級離心泵。統計公司2020 年度出廠水泵數量、故障類型及故障頻次，運用柏拉圖數據表格進行兩次分析，能夠充分反映出“少數關鍵、多數次要”的規(guī)律，尋找主要因素、抓住主要矛盾。一次分析以多級泵工廠3 種機型為例，立式泵、臥式泵和浸入式多級離心泵均發(fā)生過斷軸事故，但立式泵和臥式泵的出貨量遠遠大于浸入式多級離心泵，但從過去的12 個月數據來看，浸入式多級離心泵的故障數量卻高于其他機型。二次分析浸入式多級離心泵不同級數的斷軸比例，發(fā)現4-140 型水泵斷軸頻次最高，且與2021 年3 月反饋軸斷裂事故為同批次的同一款浸入式多級離心泵，故選定該型號為本次QC質量改善的突破口，進行全面的分析。

1.2 目標設定

結合公司內部全面質量管理要求，抓質量不僅僅是抓生產制造的質量，更是從源頭抓起，貫穿于從設計開始一直到售后服務的全過程，動員全體員工、參與這項活動，要以顧客為關注的中心來開展活動，以更高的質量服務要求，完成4-140 型浸入式多級離心泵的斷軸不良零化。

探索質量管理發(fā)展5 個階段，目前處于一個混合階段：

第一階段，質量檢驗階段，以質量檢驗把關為主，是從半成品或產品中間挑出廢品和次品，是一種事后把關式的管理，它依靠的是檢查人員的經驗和責任心。

第二階段，統計質量控制階段，適應生產力大發(fā)展的要求，利用數理統計的原理對生產過程進行分析，及時發(fā)現異常情況，從而采取處理措施，把質量檢驗發(fā)展到由事后把關變成事前控制。

第三階段，全面質量管理階段，一種“全攻全守”型的階段。

第四階段，質量保證階段，一切應該做的事情訂立成質量手冊，通過程序文件以及一系列的質量表格文件來控制。

第五階段，零缺陷的質量管理，目標是第一次就把事情做對，而且把每次做對作為奮斗方向。

1.3 現況分析

（1）現況原因初步分析。采用頭腦風暴，小組人員在正常融洽和不受任何限制的氣氛中以會議形式進行討論、座談，打破常規(guī)，積極思考、暢所欲言，充分發(fā)表看法。結合4M 檢核法，即“人—機—料—法”分析法，增加產品制造及使用過程中所處的環(huán)境分析，展開分析浸入式多級離心泵斷軸的潛在原因有泵軸設計尺寸及強度合理性、生產過程中的裝配一致性的工藝能力、水泵裝配過程的熟練度、拉桿鎖附扭力值的管控裝配平臺合理性、裝配工治具有效性、泵軸圓鋼材料選型及加工方式的合理性等。

通過擴大不良因素、保留單一變量進行故障的模擬再現實驗，實驗主體為4-140 型浸入式水泵，其結構如圖1 所示，驗證內容見表1。

表1 故障的模擬再現實驗

圖1 離心泵結構

實驗過程中未發(fā)生斷軸故障，為探究故障真因，成立小組，運用質量管理的理論和方法開展斷軸問題的分析及處理。

（2）泵軸設計合理性確認。根據水泵電機功率，轉速，運用公式T=9565×P/n 及軸尺寸計算公式，計算出電機扭矩為1.8 N·m、泵軸直徑設計值為12 mm、扁軸處寬度設計值為10 mm，判定設計合理。

（3）泵軸應力模擬分析。運用Solid Works 軟件確定扁軸連接處為應力集中點，模擬運行處于臨界值最高點，符合斷軸位置。

（4）工廠人員熟練度調查。裝配人員平均工齡均大于3 年，崗位應會考核均通過。

（5）水泵裝配扭矩一致性確認。拉桿M10 和鎖緊螺母M8 的設計扭矩分別為18～23 N·m、25～30 N·m，工廠量測10 臺份拉桿及鎖緊螺母扭矩均符合設計要求且Cp（過程能力指數）值穩(wěn)定，擰緊工具符合周期性標定。

（6）裝配工裝水平度調查。對生產線的移動裝配平臺板進行水平度量測統計，水平度均小于0.55°，且同一流水線其他產品未發(fā)現斷軸故障。

（7）工治具使用情況。移動裝配平臺板上泵軸及泵頭的定位工裝部分存在水平晃動問題，未及時檢修，作業(yè)指導書規(guī)范了聯軸器調節(jié)工裝使用及盤車動作，質量及技術部對庫存泵進行隨機開箱盤車檢驗，檢驗的10 臺泵中，存著盤動困難。

（8）導葉配合尺寸調查。歪斜原因為導葉止口尺寸間隙+平面跳動累積，根據導葉外殼同心度測量水泵導葉10 級累積值為2.63 mm。

（9）泵頭尺寸量測。泵頭配合安裝面設計圓跳動小于0.025 mm，實測均值為0.08 mm、偏大超差。泵頭是連接電機及泵體的重要零部件，影響泵軸與電機軸的同心度。

（10）泵軸材料特性。棒材廠商及第三方檢測提供的材料特性報告，包含硬度、抗拉強度及理化分析數據，均符合NFJSS13—2020-A0 不銹鋼圓棒技術規(guī)格書，供應商除在原料端進行抽檢PMI 確認鋼種外，后續(xù)生產流程每捆料的流轉均有嚴格ID 管控，每工序包括標識管理，噴漆鋼種識別管理，同平臺不可拆兩捆棒材，以確保鋼種無誤，廠內棒材分為兩家供應商，成品泵軸無標識，無法精準溯源。

（11）泵軸軸肩的寬度設計值為9.85～10.00 mm，實際量測為9.85 mm、偏下差但符合設計要求，Cp值為2.11，直線度小于設計值0.02 mm/（100 mm）。

（12）斷軸水泵運行環(huán)境。泵軸斷裂4 臺的液體介質明確為乙二醇水溶液，乙二醇對金屬具有一定腐蝕性，不同濃度的溶液對金屬的腐蝕能力有所差異。用抹布仔細擦拭泵軸試樣，表面光亮如新，未見明顯的腐蝕麻點等表面缺陷。售后資料缺乏運行溫度、壓力、流量、啟動頻次及出廠日期等工況的統計，特殊情況NG 水泵須進廠拆解分析。

1.4 要因分析及對策制定實施

1.4.1 組合工裝晃動

生產線部分裝配工裝晃動損壞，泵軸與泵頭裝配無定位，導致泵軸與電機軸不同心。原有定位銷式工裝結構復雜，不同型號需更換定位銷，且安裝時需對孔，重新設計內止口式工裝，但導葉級數越大、尺寸鏈越長，累積誤差加大。泵體進水體模擬轉動量測圓跳動最大值為5.7 mm，平面跳動最大值為0.78 mm，新增壓緊設備，保證拉桿鎖付時進水體與泵頭的同心度。組合工裝設備整改完成，進水體圓跳動及平面跳動改善明顯，進水體圓跳動控制在3 mm 以下、平面跳動低于0.5 mm，優(yōu)化改善提升40%（表2）。

表2 CDLK 4-140 型水泵改善前后進水體跳動數據對比 mm

1.4.2 泵頭圓跳動不良

泵頭圓跳動不良的原因主要有3 個：

（1）加工夾具造成的誤差，現有路線第一序加工電機口所有尺寸，第二序加工過水端所有尺寸。

（2）檢測誤差，檢測的方法是使用定尺寸盤，人工旋轉檢測，每個人的操作誤差在0.02 mm 左右。

（3）定位面變形及毛刺誤差，前者是因電機安裝面的螺紋安裝孔，鉆孔變形及毛刺造成的定位誤差，而后者的工藝優(yōu)化難度較大、待進一步處理。

1.4.3 水泵盤動困難

水泵盤動困難的原因及應對措施主要有：首先是作業(yè)遺漏，無法探測是否進行盤動作業(yè)，很難進行作業(yè)現場的統計管理，技術部定期開展工藝一致性檢查工作；其次是標準不一致，水泵裝配完成后人工進行盤動判定，轉動靈活性判定結果因人而異，新增水泵盤動扭力計，量化盤動聯軸器的扭矩，更改出廠檢驗標準，新增盤動扭矩值不大于0.3 N·m 后方可出廠；最后是雜質堵塞，水泵裝配完成進行測試后，測試臺用水雜質可能影響盤動，測試臺水質納入設備管理條例，新增每月一次的水質檢查。

另外，泵軸尾端新增標刻供應商代碼，軸肩尺寸偏下差改善，銑加工程序變更，用刀補來改善泵軸的共面問題，新增銑扁軸設備。改善后泵軸軸肩寬度設計值為9.85～10.00 mm，實際量測均值為9.9 mm。

2 效果確認

至2022 年6 月底，改善徹底完成。統計、分析2022 年度第三及第四季度的售后資料數據，浸入式水泵斷軸臺數為零，減少了因返工而造成的直接損失金額約2000 元/年，大大降低客戶抱怨，提高客戶滿意度。同時，該項目還梳理了工廠流水線CDLK 水泵的生產工藝規(guī)范，加強一致性管理，強化涉及零件質量檢測，優(yōu)化產品質量，提升同類產品競爭力及口碑，小組成員進一步了解QC 改善的解析手法。

3 標準化

標準化的作用主要有，是組織現代化生產的重要手段和必要條件，是合理發(fā)展產品品種、組織專業(yè)化生產的前提；是公司實現科學管理和現代化管理的基礎，提高產品質量保證安全、衛(wèi)生的技術保證；是國家資源合理利用、節(jié)約能源和節(jié)約原材料的有效途徑；是推廣新材料、新技術、新科研成果的橋梁；是消除貿易障礙、促進國際貿易發(fā)展的通行證。

通過本次對浸入式液下泵斷軸的QC 質量零化改善，對工廠的自動化流水線及零部件的尺寸優(yōu)化進行了標準、優(yōu)化，未來將以點帶面、對立式泵及臥式泵裝配線進行同等調查分析，嚴格遵循“標準化—執(zhí)行—查核—處置”的流程。

4 結束語

水泵斷軸問題涉及的零件較多，需要進行分析的要因項較多，單純靠后期對問題的分析及解決是一個復雜的過程，影響的因素和改善方法多種多樣，應針對出現的問題進行具體分析和改善，解決問題的關鍵在于如何找到快捷、簡單、費用低且狀態(tài)穩(wěn)定的方案。

水泵的許多故障難點是將生產過程中的不穩(wěn)定性放大，所以在解決這些問題時首先要消除這些不穩(wěn)定因素，特別是涉及一些尺寸鏈過長的問題，如何更有效地控制產品零件尺寸的不穩(wěn)定性，還值得進一步的探索。

浸入式水泵的使用量較大、品種齊全，在基于可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保的總體背景下，市場對設備提出了更多新要求，如提升效率、節(jié)能減耗、降低運行噪聲、延長使用壽命、控制/監(jiān)測的自動化和智能化等，只有自主創(chuàng)新能力強的企業(yè)才能更好、更快地轉化科技成果、進行技術升級，并賦予產品更高的技術附加值。