單螺桿泵振動分析及解決方法

張麗張國勇陳玲何文德文瑜鑫

(四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院)（云南水富云天化有限公司重慶分公司）

單螺桿泵振動分析及解決方法

張麗*張國勇陳玲何文德文瑜鑫

(四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院)（云南水富云天化有限公司重慶分公司）

對單螺桿泵的振動進(jìn)行了較為詳細(xì)的對比分析，并根據(jù)振動原因提出了相應(yīng)的解決方法。

螺桿泵機(jī)械裝配安裝管線振動轉(zhuǎn)子減速器

0 前言

單螺桿泵在發(fā)達(dá)國家已廣泛使用，德國稱之為“偏心轉(zhuǎn)子泵”。由于單螺桿泵具有優(yōu)良的性能，因而近些年該泵在國內(nèi)的應(yīng)用也迅速擴(kuò)大。單螺桿泵的最大特點是對介質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)、流量平穩(wěn)、壓力脈動小、自吸能力高，這是其它任何泵種所不能替代的。

某石化公司液體罐區(qū)的裝料和卸料工作均由單螺桿泵來完成，這是因為螺桿泵在停車時對介質(zhì)具有“自鎖性”，特別適合于危險化學(xué)品的裝卸車。從該公司多年來螺桿泵的運行情況看，振動偏大是它的一大缺點。其中，部分螺桿泵還出現(xiàn)進(jìn)出口管線發(fā)生振動的情況，有時甚至還帶著管廊一起振動。

本文結(jié)合實際生產(chǎn)情況，對單螺桿泵的振動進(jìn)行了較為詳細(xì)的對比分析，并根據(jù)振動原因提出了相應(yīng)的解決方法。

1 單螺桿泵結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 單螺桿泵的結(jié)構(gòu)

單螺桿泵是一種內(nèi)嚙合的密閉式螺桿泵，屬轉(zhuǎn)子式容積泵。單螺桿泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該泵的主要工作部件由具有雙頭螺旋空腔的定子和在定子孔內(nèi)與其嚙合的單頭螺旋螺桿即轉(zhuǎn)子組成[1]。

圖1 螺桿泵結(jié)構(gòu)

1.2 單螺桿泵的工作原理

當(dāng)輸入軸通過萬向節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞定子作行星回轉(zhuǎn)時，定子與轉(zhuǎn)子副就連續(xù)嚙合形成密封腔，這些密封腔容積不變地作勻速軸向運動，輸入介質(zhì)從吸入端流經(jīng)定子-轉(zhuǎn)子副輸送至壓出端。

如圖2所示，螺桿泵主要部件為轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子是一個大導(dǎo)程、大齒高和較小螺旋內(nèi)徑的螺桿，具有1/2幾何形狀的圓截面和2/3幾何形狀的橢圓形截面。定子是與之相配的雙頭螺線的螺套。這樣在轉(zhuǎn)子和定子間形成了存儲介質(zhì)的空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)運動時，介質(zhì)沿軸向由吸入端向排出端運動。

圖2 螺桿泵360°1/2幾何形狀截面

2 螺桿泵的振動對比分析

影響螺桿泵振動的因素大致可以分為三個方面：機(jī)械裝配、安裝、管線。

2.1 螺桿泵振動數(shù)據(jù)收集

根據(jù)部分螺桿泵的運行情況，收集其振動數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 螺桿泵振動數(shù)據(jù)（單位：mm/s）

2.2 機(jī)械裝配方面

2.2.1 定子開裂損壞

螺桿泵定子內(nèi)表面為橡膠材質(zhì)（丁晴橡膠）。若橡膠表面開裂出現(xiàn)溝槽，開裂表面就會與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦，不僅會加速轉(zhuǎn)子的磨損，同時還會產(chǎn)生間斷性的振動。

2.2.2 萬向節(jié)

螺桿泵在運行時，轉(zhuǎn)子作行星運動，其軸線并不與驅(qū)動的動力源的軸線處在同一直線上。這樣，轉(zhuǎn)子和驅(qū)動軸之間必須有特殊的構(gòu)件，使動力源的驅(qū)動軸能帶動轉(zhuǎn)子完成這樣的行星運動，這一特殊構(gòu)件即為萬向節(jié)。這樣，由驅(qū)動軸帶動萬向節(jié)，再由萬向節(jié)帶動轉(zhuǎn)子，完成繞定子軸線的行星回轉(zhuǎn)運動。該公司螺桿泵(見表1)均采用銷柱式萬向節(jié)。

2.2.2.1 萬向節(jié)同軸度誤差較大

若萬向節(jié)同軸度誤差較大，則連桿軸帶動轉(zhuǎn)子運行不在一條線上，會造成偏心運動，使轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生摩擦造成振動。

2.2.2.2 萬向節(jié)內(nèi)零部件磨損

萬向節(jié)由銷柱、銷套、保護(hù)套、傳動接頭、鋼絲擋圈等構(gòu)成，如圖3所示。由于銷柱（5075，為萬向節(jié)零件編號，下同）在銷套（5440）孔內(nèi)作轉(zhuǎn)動的同時還作擺動，受力較為復(fù)雜，因此其磨損也較為嚴(yán)重，有些甚至磨損成了對稱異形（見圖4）。

若內(nèi)部零部件被磨損，則配合間隙將增大，造成兩端轉(zhuǎn)子運行偏心。這樣，不僅會導(dǎo)致運行噪音大，同時還會伴有振動加劇現(xiàn)象，振動很大時將會損壞延長軸上安裝的機(jī)封。

圖3 萬向節(jié)

圖4 銷柱磨損

2.2.3 軸承部位

在直連型螺桿泵系統(tǒng)中，電機(jī)、減速器設(shè)備內(nèi)也都存在著軸承。若任何一處的軸承出現(xiàn)不同程度的損壞，均會產(chǎn)生一定的振動和異響。軸承部位的損壞有兩種情況：一是軸承本身的損壞；二是軸承內(nèi)外圈的配合面出現(xiàn)了間隙（跑圓）。

2.2.4 減速器齒輪磨損

該石化公司螺桿泵使用的減速器都是齒輪傳動減速器。若減速器齒輪出現(xiàn)磨損，齒輪漸開線齒形被破壞，齒輪間隙增大，運行時就會不斷地碰擊嚙合齒輪，導(dǎo)致傳動效率降低并加速齒輪的磨損，甚至伴隨有振動和雜音產(chǎn)生。

2.2.5 連接部位

直連型螺桿泵存在兩個連接部位：一是電機(jī)與減速器的連接，采用承插平鍵傳動；二是減速器與延長軸的連接，采用承插銷柱連接傳動。

在這兩個傳動中，容易損壞的為電機(jī)減速器連接，由于受力較大，往往容易損壞平鍵和軸孔鍵槽配合面。一旦連接部位出現(xiàn)損壞，配合出現(xiàn)間隙，鍵在傳力過程中就會出現(xiàn)配合面位置偏離，出現(xiàn)傳力小范圍集中。這樣不僅會加速磨損配合面，同時還會產(chǎn)生較大的振動和異響。

2.2.6 電機(jī)減速器一體

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，很多螺桿泵的電機(jī)減速器是一體的，其中很多電機(jī)減速器均為懸空式安裝（圖5），有的電機(jī)末端與支座距離約有1 m。由于懸臂跨度太長，電機(jī)得不到有效的支撐，造成電機(jī)末端在運行時振動較大。由表1可見，位號P0321的螺桿泵振動值最大，振動最明顯。

圖5 電機(jī)減速器懸空圖

2.3 安裝方面

2.3.1 設(shè)備安裝

螺桿泵安裝在機(jī)座上，有三個部位的連接點：定子兩端的2個支腳、直連支架地腳。若這三個點支腳的連接螺栓沒有緊固牢固，均會不同程度地引起振動并引發(fā)異響。

2.3.2 水泥機(jī)座安裝

設(shè)備底座在水泥機(jī)座上有不同的安裝方式。通過對比發(fā)現(xiàn)，將設(shè)備底座全部澆灌在水泥機(jī)座內(nèi)（見圖6，P0320），機(jī)泵振動值都偏??；將設(shè)備底座安裝在水泥機(jī)座上（見圖7，P0318），振動值都偏大；將設(shè)備機(jī)座安裝在表面，但基座內(nèi)填充水泥（見圖8，P0309），振動值相對較小。表1顯示了振動的對比結(jié)果。

圖6 全澆灌機(jī)座（P0320）

圖7 全安裝機(jī)座（P0318）

圖8 半澆灌機(jī)座（P0309）

2.4 管線方面

2.4.1 入口過濾器

在螺桿泵的入口設(shè)置了一個過濾器。若過濾器的濾芯被異物堵塞，則入口管線沒有介質(zhì)通過，便會造成螺桿泵空吸干磨，造成螺桿泵異常振動并發(fā)生異響，加劇零部件的磨損。

2.4.2 管道應(yīng)力

螺桿泵的進(jìn)出口法蘭與進(jìn)出口管道相連不應(yīng)存在管道應(yīng)力。若管道法蘭與螺桿泵法蘭發(fā)生錯位后強(qiáng)制相連，則會在管道口和設(shè)備管口上增加應(yīng)力。讓設(shè)備在強(qiáng)制偏移下運行，不僅會產(chǎn)生振動，同時也會加速轉(zhuǎn)子部件的磨損。

2.4.3 管徑

螺桿泵的吸入管徑應(yīng)與泵的設(shè)計相匹配。過小的管徑會造成供料不足，進(jìn)而影響泵的輸出流量和壓力，嚴(yán)重時還會引起管線振動和定子損壞。這可以通過下面的計算來驗證：

式中Qv——流體體積流量，m3/s；

u——流體流速，m/s；

A——流體流通截面積，m2。

一般工廠管道采用圓管，A=（π/4）d2，即

式中d——管子內(nèi)徑，m。

以位號P0321泵為例，介質(zhì)流量Qv為0.013 9 m3/s，安全流速2～3 m/s，取3 m/s。經(jīng)計算可得：

通過計算可知，管子內(nèi)徑必須≥77 mm以上。

2.4.4 管架的設(shè)置

管道的安裝應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的支撐點，其中泵的進(jìn)出口法蘭不應(yīng)該承受管道的重量。管架設(shè)置合理，不僅會降低管道的振動，同時還會起到保護(hù)設(shè)備的作用。

3 針對存在的問題提出解決法

3.1 機(jī)械裝配的檢查

對于發(fā)生振動的螺桿泵，當(dāng)依靠工藝操作無法解決振動問題時，有必要對設(shè)備解體作徹底檢查。

3.1.1 轉(zhuǎn)子定子的檢查

拆卸定子時，可以首先通過拆卸過程，感覺其松緊程度來檢驗轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙是否符合要求。合適的間隙為0.11～0.48 mm（冷態(tài)）。

拆卸后通過檢查轉(zhuǎn)子和定子的表面狀況來判斷是否能夠繼續(xù)使用（見表2）。

表2 轉(zhuǎn)子定子表面數(shù)據(jù)

若表面出現(xiàn)較深的劃痕或者直接開裂（見圖9），則需要重新更換定子。

圖9 定子內(nèi)表面開裂

3.1.2 萬向節(jié)的檢查

拆卸萬向節(jié)，檢查其內(nèi)部所有零部件是否磨損，同時檢查配合間隙是否達(dá)到要求。配合件的安

裝和拆卸均采用壓入和壓出的方式進(jìn)行。若使用敲擊方式，則需要對配合件進(jìn)行處理。

3.1.3 軸承、減速器檢查

解體拆卸后，檢查電機(jī)、減速器的軸承游隙是否符合要求；軸承與軸、外殼的配合是否到位；測量減速器齒輪的嚙合間隙是否達(dá)標(biāo)。通過檢查，對零部件進(jìn)行必要的更換或者修配。

3.1.4 電機(jī)減速器懸空處理

通過實際測量，電機(jī)減速器基本懸空長度在1 m左右。為了減少懸空長度帶來的振動，在電機(jī)原非支撐端末端下面增加了一個高度可調(diào)節(jié)的支撐，并墊以橡膠皮減振（見圖10）。

將增加支撐后測量所得到的數(shù)據(jù)列于表3中。

圖10 減振支撐

由表3可見，增加支撐對螺桿泵改善振動有較好的效果。

表3 振動值對比（單位：mm/s）

3.2 安裝檢查

3.2.1 安裝人員檢查

在維修螺桿泵進(jìn)行現(xiàn)場安裝時，維修人員要對現(xiàn)場的所有連接部位進(jìn)行緊固到位，緊固后要進(jìn)行專項檢查，避免連接不牢固造成的設(shè)備振動。

3.2.2 水泥機(jī)座的改進(jìn)

通過前述第2.3.2條的分析可以看出，全澆灌機(jī)座和半澆灌機(jī)座的振動都較小，全安裝機(jī)座振動較大，所以可采取類似的方法對所有機(jī)座進(jìn)行改造。為了兼顧施工和維修的便利性，建議使用半澆灌機(jī)座更為合理。

3.3 管線檢查

3.3.1 過濾器檢查

當(dāng)運行的螺桿泵出現(xiàn)異常振動時，工藝人員有必要首先停車對過濾器濾網(wǎng)進(jìn)行拆卸檢查，為維修人員快速維修提供依據(jù)。

3.3.2 管道應(yīng)力檢查

拆卸設(shè)備的進(jìn)出口連接法蘭，檢查配對法蘭是否存在較大錯位和大間隙的現(xiàn)象。若存在此類現(xiàn)象，則需要增加軟連接或者重新焊接法蘭來調(diào)整管線連接的相對位置[2]。

3.3.3 管徑的確定

通過第2.4.3條的計算可以得出，管子內(nèi)徑必須≥77 mm。現(xiàn)場實際測得所使用的入口管為?108×4，內(nèi)徑為100 mm；出口管為?89×4，內(nèi)徑為81 mm，均符合上述要求。

3.3.4 管架的檢查

通過現(xiàn)場測定并與表4數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知，現(xiàn)場管線的實際管架距離均在參考值以內(nèi)。

表4 鋼管管道支架最大距離

所有管道支架的間距都應(yīng)在上述表4的參考值范圍內(nèi)。此外，進(jìn)出口管的質(zhì)量也不能由設(shè)備來承重，需要在進(jìn)出口處增加管道支架進(jìn)行支撐，以減少管道對設(shè)備振動的影響。

4 結(jié)束語

本文通過對螺桿泵振動原因的分析，提出了相應(yīng)的解決措施，對螺桿泵的安穩(wěn)運行起到了比較大的指導(dǎo)作用。不僅有利于保證該石化公司裝卸車的正常進(jìn)行，同時也有助于提高工藝和維修人員對故障現(xiàn)象的判定能力和基本的處理排查能力。

[1]王紹良.化工設(shè)備基礎(chǔ)[M].第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]SHS 01016—2004螺桿泵維護(hù)檢修規(guī)程[S].

Vibration Analyses and Solutions of Single Progressing Cavity Pump

Zhang Li Zhang Guoyong Chen Ling He Wende Wen Yuxin

The vibrations of single progressing cavity pump are analyzed in detail,and the corresponding solutions are put forward according to the reasons of vibrations.

Progressing cavity pump；Mechanical assembly；Installation；Pipe line；Vibration；Rotor；Reducer

TQ 051.21

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.003

2016-03-07）