基于真空泵常见机械故障分析

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【摘 要】 为了进一步探讨真空泵常见机械故障，文中分析了真空泵叶片断裂、轴承磨损问题等故障。

【关键词】 真空泵 常见机械故障 叶片断裂 轴承磨损

1 引言

文中主要针对单级双吸泵真空泵，其主要由转子叶轮、泵壳、端板、阀片、轴承、进排气口、进口单向阀、轴端密封等部件组成。轴端密封采用带水封环的填料密封，密封水取自泵壳内的工作水环，通过端板上的孔道引到水封环处。其是利用旋转水环充当活塞作用造成泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的。

2 真空泵机械故障分析

2.1 轴裂、断的故障分析

设备运行一段时间后，在受力不均的情况下，轴与叶轮配合部分磨损使轴与叶轮间隙加大，致使叶轮在轴上窜动，间隙进一步加大后，使轴所受的径向力加大，最终造成泵轴疲劳断裂。同时，叶轮在轴上的窜动使叶轮间歇性与两侧泵盖摩擦，使叶轮与泵盖间间隙加大，振动加大，在影响性能的同时，造成两侧泵盖磨损严重，从而导致机泵失效报废。根据断轴的断面分析，轴断部位往往在键槽或截面突变处，轴的断裂面接近垂直于轴线，像刀切一样。整个断面大部分光滑呈金属本色，下部分较粗糙，这表明是疲劳破坏所致。而产生疲劳破坏的原因是泵腔内气体对泵轴有一个径向作用力。

轴裂、断解决方法： 改变轴的材质。泵轴的原来材料是45钢，通过调质处理其布氏硬度至HB=241～303。45钢在热处理过后一般都在这硬度范围，由于转轴的工作环境比较差，又有偏心载荷，并且转轴需要与轴孔保持很好的配合，建议采用1Cr18Ni9Ti，这种材料耐磨性，各种抗性都很好，工作也叫稳定，材质比45钢有较大优势。增加轴径，加大轴径一定程度上可以满足要求，但是需要对泵体进行改造，轴承，一系列都需改变。这就需要对真空泵进行再次设计，优化。

2.2 真空泵叶片断裂

真空泵叶片出现断裂和掉落情况，多数为叶片在不同程度上由根部断裂，而且发生在起动过程中。（1）叶片工作过程。由叶片工作原理可知，叶轮前半转是吸气过程，后半转是排气过程。由0°开始，随着叶片之间形成的空间逐渐增大，负压逐渐升高，吸入气体量最大，负压最高；而后，由于吸入气体充满上述空间，随着叶片继续转动，逐渐降低，当转到180°时，叶片间的空间由负压状态变为正压状态，正负压值均为零。由180°起，随着水环表面与轮毂接近，叶片旋转到270°左右，即被压缩气体即将由排气孔排出时，正压最高，压缩气体一经排出，正压值随之下降，当转到360°时，叶片之间的空间又由正压状态变为负压状态。叶轮连续不断旋转，上述正、负压状态呈周期性变化。起动之前，泵体内水呈静止状态，叶片开始运动时，受水的阻力很大，甚至产生真空泵无法起动的现象。另外，叶片旋转时，下部水环厚度大、流速底；上部水环厚度小、流速高，由于流线疏密不同，叶轮上受力不平衡，于是产生振动，叶片随之振动。水环式真空泵的工作负压，由真空泵上所安装的真空表显示，通常为540～560mmHg。在上述工作状态下，抽放气体量为6.10m3/min左右。

（2）叶片断裂原因。叶片每旋转360°，受正反方向的压力，该力作周期性变化，这是引起叶片根部断裂的主要原因。叶片在两个互为反向的压力周期作用下运转，其根部受弯矩最大，必然造成叶片根部疲劳损伤，若叶片强度低，就会导致根部断裂。（3）解决方法探讨。1）改变叶轮材质，由灰铸铁叶轮改为铸钢叶轮。2）改变起动方法，即改鼠笼式电机直接起动为绕线式电机变速起动。3）由SZ型真空泵性能可得，采用更大功率的水环式真空泵，对设备进行更新。

2.3 轴承磨损问题

泵轴在腐蚀介质中工作时，因腐蚀造成粗糙表面，促成产生疲劳裂纹，而且降低了轴的疲劳极限，以SZ-4型为例介绍。SZ-4型泵轴与叶轮配合采用Φ90D/d，基孔制二级配合，为的是用铸铁轴套调整叶轮，使它与泵体两端间的间隙保持均匀。这种配合方式造成进入间隙的腐蚀性气体腐蚀轴及叶轮的配合表面，间隙逐渐扩大，发展成叶轮和轴产生径向撞击，造成应力集中，降低了轴的强度。SZ-4型水环式真空泵在轴承设计采用前后各一个313单列向心球轴承，但是这不能调整径向偏差，安装时前后轴承座必须在同一轴线上，如果稍有偏差就会加大轴扭矩。这也是造成轴断的一个因素。国外设计有的采用前、后各一个双列向心球面球轴承或双列向心球面滚子轴承，如图1。

西德产2BK4386-3Z（H）型泵采用前、后各一个单列向心短圆柱滚子轴承和各一个双向推力球轴承，以及各二个压力弹簧。如图2。

上述各泵可见，国外水环泵在轴承设计上，具有使轴在轴向、径向可调的自动调位的优点，故可保证泵轴始终在同一轴线上运动，不存在SZ-4型泵轴不能自调的缺点。

建议用3616双列向心球面滚子轴承替换313单列向心球轴承，这样容许的静负荷由5400kg提高到了16000kg，其目的是避免在安装钟由于不同心产生的扭力，同时延长了轴承的更换周期。用3613代替313轴承，其轴承宽度由33mm变为48mm，那么轴和轴承座尺寸也要作相应改变。

3 结语

首先对轴孔磨损进行分析，通过改变配合方式试解决轴孔磨损和轴振动问题；通过比较得出改变轴的材质或者加大转轴尺寸防止轴裂，轴断事故的发生，轴承则通过改变轴承类型来解决轴承损坏问题。

参考文献：

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