N型曲轴调节机构计量泵的结构改进

张新华
（四川大学化工学院，四川成都　610065）

　　摘　要：主要分析了N型曲轴调节机构计量泵存在的问题，介绍了N型曲轴调节机构计量泵的改造方法：（1）从消除变速箱振动方面考虑，（2）从降低偏心盘与行程座的磨损方面考虑。改造后，从泵运行情况来看，曲轴调节机构计量泵的结构改进取得了很大成效，但是现用的柱塞填料自然磨损率较高，填料偏软，强度不够。
　　关键词：计量泵系统；故障分析；技术改造
　　某石化企业年产8000t碳五加氢石油树脂装置加氢反应器进料泵，选用国外知名厂家制造的N型曲轴调节机构计量泵，该泵为三头卧式往复泵，N型曲轴由变速箱中的蜗轮驱动，带动连杆和柱塞做往复运动。柱塞的行程可通过N型曲轴上端的调节丝杆改变偏心距，在0%-100%间调节，从而改变计量泵的流量。该泵具有结构紧凑，调节方便的优点。
　　1　泵的故障现象
　　该泵在投用试车运行半天后就有1列变速箱出现了抱轴故障，更换了损坏的轴承后发现，变速箱内振动响声大，行程调节丝杆因振动而产生自转，流量无法自控。用铁拉锚将调节丝杆与变速箱体固定后，泵行程流量调节只能达到50%负荷的水平。在装置运行的4个多月时间内，2台泵的6列变速箱先后都出现了同样的抱轴故障。解体发现在变速箱的润滑油中含有大量的金属铁屑，N型曲轴表面和蜗轮轴颈表面被严重拉伤，并分别出现抱轴故障，每次检修必须更换上述部位轴承，并对轴颈磨损表面进行修理。行程调节座铸铁端面被严重磨损，磨损Z大量达到了3mm以上，被磨损下来的金属铁屑进入变速箱润滑油内。
　　2　故障原因分析
　　变速箱中的蜗轮在转动时通过带动N型曲轴螺旋槽内的螺旋销驱动N型曲轴。根据螺旋销的运动轨迹，N型曲轴在转动时受到一个向外的力，N型曲轴有向外移动的趋势。制造厂在对泵的设计中采用偏心止推盘来预防N型曲轴的向外窜动，止推盘与行程座端面止推间隙设计为0.5mm。止推盘材质为不锈钢，行程座材质为铸铁。N型曲轴转动并向外移动时，偏心止推盘和行程座端面产生接触摩擦，在法向负荷的作用下，产生很大的接触应力。根据摩擦理论，如果接触应力大到足以使一对摩擦副的两个摩擦表面凸起端的材料发生塑性变形，那末在摩擦面上很可能形成粘着点。当摩擦面发生相对滑动时，粘着点在剪应力作用下变形以致断裂，使材料从一个表面迁移到另一个表面，通常是由较软的摩擦面迁移到较硬的摩擦面上，迁移的金属往往呈颗粒状粘附在表面。在反复的摩擦作用下，粘着点扩大，并在剪应力作用下粘着点根部开裂形成磨粒。变速箱行程座被严重磨损，润滑油中含有大量的金属铁屑正是这一结果。
　　由于行程座被磨损，N型曲轴的止推间隙不断增大，对行程座的冲击作用不断增强，从而使行程座产生剧烈振动和响声。润滑油中的金属铁屑分别进入N型曲轴和蜗轮轴颈轴承间隙后形成很硬的磨粒，造成摩擦系数急剧上升，摩擦界面温度迅速升高，在滑动摩擦方向形成很狭窄的条带或沟槽，这种在摩擦表面形成的损伤也叫拉伤。随着拉伤的继续发展，摩擦生热以致负荷更加集中在局部接触区域，促使拉伤带扩展，Z后由于表面局部地区材料出现熔化焊合使机构运动停止，即我们在检修变速箱中看到的在N型曲轴和蜗轮轴颈处产生的抱轴故障。
　　3　改进措施
　　从消除变速箱振动方面考虑，制造厂设计的N型曲轴0.5mm的止推间隙值偏大，参照化工厂其他类型计量泵的止推轴承间隙值，该泵的N型曲轴偏心盘与行程座端面的止推间隙值应控制在0.1mm~0.3mm之间。
　　从降低偏心盘与行程座的磨损方面考虑：对大多数金属摩擦副，在通常气氛和干滑动条件下，摩擦系数是相近的。如果在金属基体上镀或浇注一薄层软金属，金属承载能力主要由基体硬金属承担，而剪应力则在软金属层内发生，这样就得到较低的摩擦系数，可减轻金属的磨损，因此我们在行程座端面镶挂一层巴氏合金。考虑到行程座端面已磨损，为了便于控制止推间隙和检修拆装方便，对行程座端面进行改造，按照止推间隙要求加工出一个表面镶挂巴氏合金的钢圈并用螺栓固定在行程座端面上，使巴氏合金面与不锈钢偏心盘形成摩擦副。
　　4　改进效果及遗留问题
　　2003年9月我们完成了对泵上述部位的结构改进工作，该泵在运行中变速箱振动消除，运行平稳，负荷可加到100%，满足了石油树脂厂生产的需要。在随后对泵变速箱的检查中，N型曲轴偏心盘与行程座端面巴氏合金层基本无磨损，止推间隙在控制范围内，且无抱轴故障发生。从泵运行情况来看，我们对曲轴调节机构计量泵的结构改进取得了很大成效，但是现用的柱塞填料自然磨损率较高，填料偏软，强度不够，在今后的工作中我们还需不断试验，找出一种适合石油树脂液特性，具有能耐高温耐高压的填料，使填料的使用寿命得到进一步的提高。
　　参考文献：[1]金属磨损与断裂；上海交大出版社