柱塞计量泵涡轮磨损原因分析及改进措施

柱塞计量泵涡轮磨损原因分析及改进措施

张书义

乌鲁木齐石化公司检维修中心， 新疆  乌鲁木齐  830019 

  摘要：计量泵是一种可按工艺流程的要求，实现流量调节、精确计量和连续给料的特殊通用机械产品，广泛应用于石油化工和金属冶炼等领域。本文分析乌石化炼油厂重催装置柱塞计量泵蜗轮磨损的的原因，提出了改进措施，使得蜗轮的寿命提高了2倍。

  关键词：柱塞计量泵；蜗轮；磨损

  柱塞计量泵的传动方式通常是由蜗杆、蜗轮带动可调偏心距的偏心轮将圆周运动转化为往复运动。由于其结构上的原因，蜗轮的失效形式和齿轮传动一样，蜗轮都会发生偏磨的现象，并且蜗轮的齿面过度磨损是最常见的一种形式。当柱塞泵工作压力很高时, 蜗轮承受很大的扭矩, 偏磨现象更为严重。另外, 由于蜗轮、蜗杆之间相对滑动速度较大, 其摩擦发热量也大, 这些都严重影响了蜗轮的使用寿命。由于材料上和结构上的原因，蜗杆的螺旋齿面强度比蜗轮的要大，所以失效形式常发生在蜗轮的齿面上。如下图（A）示，在加工过程中有时也会发生蜗轮过切造成磨损严重。如图（B）示，或是加工完成后的蜗轮齿面不平滑出现棱角，使得蜗杆齿面和涡轮齿面出现棱角，两者接触不是理想的线接触，而是离散点接触，从而形不成似面接触的形式。

                A                                           B

例案：

以下是筛选后的检修记录：

从表中不难发现，该机泵自投入生产以来，期间断断续续都会存在蜗轮磨损的故障。最后一次检修是2018.12.4号电机反转导致磨损跳车，排除质量原因，这种周期性的磨损很大程度上是与蜗轮蜗杆运动特性决定的。

1.柱塞计量泵涡轮磨损现状[1]

  柱塞计量泵主要由曲柄连杆机构和行程调节机构组成。曲柄连杆机构由蜗杆、蜗轮、与蜗轮刚性连接的可调偏心距的偏心轮、连杆和十字头、柱塞组成, 它将电机的圆周运动减速后转化为柱塞的直线运动;行程调节机构则通过调节偏心轮的偏心距来实现对柱塞行程的控制。其结构示意图如下：

蜗杆螺旋部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度, 由于材料和结构上的原因, 失效通常发生在蜗轮轮齿上。由于蜗轮传动中的相对滑动速度较大, 效率低, 发热量大, 所以蜗轮的主要失效形式是齿面产生胶合、点蚀及磨损。

蜗轮磨损原因分析[2]

在工作过程中, 蜗轮所受的力矩主要是由管路特性决定的工作压力, 而连杆、柱塞和柱塞加速、减速时产生的柔性冲击则因这些构件的质量较小且蜗轮转速较慢可忽略。可以将往复式泵的传动简化为曲柄连杆机构的传动,

由上图可知, 当连杆与曲柄A端旋转形成的圆相切( 此时连杆与曲柄相垂直)时, 连杆与X 轴的夹角Χ达到最大值, 连杆对转动中心O的力臂也同时达到最大值(等于曲柄的长度)。根据力分解的平行四边形法则, 将柱塞所受的力F分解为同一平面内沿连杆的力F1和柱塞缸对柱塞的支撑力F2 (上图所示) , 得出F1 =F/cosΧ。由于Χ在[ 0, π/2]内cosΧ是单调下降的, 当Χ达到最大值时cosΧ的值最小, 即此时F1的值最大。所以当连杆与曲柄相垂直时连杆所受的力与其对转动中心的力臂同时达到最大值, 此时蜗轮所受的转矩最大。由此可知曲柄从B 点开始顺时针旋转时, 蜗轮所受转矩从零逐渐增大, 至A 点达到最大值, 然后逐渐减小, 到C 点减小到零, 由C 点到B点之间蜗轮所受转矩也为零。受力的分布规律与蜗轮的磨损规律恰好符合,说明蜗轮的不均匀磨损主要是由曲柄连杆机构的运动特性造成的。从现场拍摄的图片也恰恰证明了这一点。

2.解决措施

  为了减轻计量泵蜗轮磨损, 延长蜗轮的使用寿命, 在分析磨损原因的基础上, 可以从以下几个方面考虑进行改进。

  2.1．提高蜗轮的齿面接触疲劳强度

要提高蜗轮的齿面接触疲劳强度, 只有改变蜗轮的材质, 采用耐磨的高强度材料。改用耐磨材料意味着增加成本, 而且需要委托加工单位加工, 又未对原蜗轮进行充分利用。此法虽可行, 但很不经济。

2.2．提高泵的散热能力，降低油温。[3]

蜗杆传动效率低, 工作时发热量大, 往复式泵在这样的闭式传动中如果散热不良, 润滑油会因油温过高( 润滑油温一般应限制在60 ～ 70 ℃, 最高不应超过80 ℃) 而被稀释, 影响润滑效果, 从而增大摩擦损失, 甚至发生胶合。因此, 当往复式泵的工作温度较高时, 可以采取增大散热面积, 加速空气流通或在传动箱内加装循环冷却管路等措施来降低油温。

  2.3．改善蜗轮的润滑效果

当润滑不良时, 蜗轮、蜗杆的传动效率将显著降低, 并且会带来剧烈的磨损和产生胶合破坏。此时可以采用粘度大的矿物油进行良好的润滑, 并在润滑油中加入添加剂以提高润滑油的抗胶合能力。

2.4．试运行前做足准备

开工前新机器进行试运行。开泵前确认N轴的位置，调量手柄回零，出口阀开2-3丝，（防止压力过高）低负荷运行30分钟后再调整N轴和出口阀的开度。

结论

  采用上述的四条措施对柱塞计量泵进行了改进, 重催P-506/B计量泵现场运行工况良好，至今未出现问题，效果颇为满意, 蜗轮磨损均匀, 使用寿命提高2倍多。这些措施将在同类型计量泵下次大修时一同进行技改技措。

为了提高设备的利用率, 设备的检修工作不是仅靠一个“换”字来解决的, 通过分析原因, 提出改进措施才能创造更大的经济效益。

参考文献：

[1]《往复泵设计》编写组编.往复泵设计[ M] .北京:机械工业出版社, 1987.

[2]   杨春兰.蜗杆传动手册[ M] .上海:华东化工学院出版社, 1990.

[3]   徐灏.机械设计( 上) [ M] .沈阳:东北工学院出版社,1987.