攀枝花钢城集团有限公司 协力分公司本科生实习论文 SZ-4型水环式真空泵常见机械故障分析和解决方法研究 实习生： 指导老师： 二O一三年五月 目 录 摘要..................................................................................... ........................ I 1绪论...........................................................................................................1 1.1SZ-4型水环式真空泵概述......................................................................................１ 1.2SZ-4型水环式真空泵工作原理...........................................................................1 1.3SZ-4型水环式真空泵常见故障..................................................... .....................3 1.4课题研究内容、目的及意义...............................................................................3 2SZ-4型水环式真空泵轴孔磨损、轴磨损及断裂...........................4 2.1轴孔磨损分析........................................ ...............................................................4 2.2轴孔磨损解决方法............................. ......................................... .........................4 2.3轴疲劳强度校核.........................................................................................5 2.4轴裂、断解决方法探讨..............................................................................9 3SZ-4型水环式真空泵叶片断裂................................ ........................10 3.1叶片断裂分析.........................................................................................................11 3.2解决方法探讨............................................................................................20 4轴承磨损问题...........................................................................................13 结语....................................................... .............. .... .................................................... 16 致谢....................................................................... .... ....................................................17 参考文献.......................................................................................................................18 摘 要 本课题题目为SZ-4型水环式真空泵常见机械故障分析和解决方法的研究。 本课题的目的是针对水环式真空泵叶轮叶片断裂，转轴磨损，轴承损坏，转子结垢予以理论分析和强度、寿命计算，对照日常检修台帐记录，从而得出故障结论，并提出解决措施。 其主要内容为： 概述真空泵的工作原理，列出泵的常见故障，反应出本课题研究的意义。 对轴孔和轴的振动，磨损进行分析，并提出通过配合公差予以解决。校 核轴的疲劳强度，得出轴的安全系数不符要求，并提出解决方法。 对转子进行受力分析，得出叶片断裂原因，并提出解决方法。 对轴承磨损问题分析，得出通过改进轴承类型予以解决。 用AutoCAD2004进行二维平面构图，完成对机构的结构和应力分析。 关键词：水环式真空泵，叶片，轴孔，转轴，轴承，振动，磨损，断裂 1绪论 1.1 SZ-4型水环式真空泵概述 SZ系列水环（简称：SZ真空泵）及压缩机是用来抽吸或压缩空气和其他无腐蚀性、不溶于水、不含有固体颗料的空气，以便在密闭容器中形成真空和压力。但吸入气体允许混有少量液体。SZ水环式真空泵被广泛运用于机械、石油化工、制药、食品、制糖工业及电子领域。SZ水环式真空泵由于在工作过程中，气体的压缩是等温的，所以在压缩和抽吸易燃、易爆气体时，不易发生危险，所以SZ水环式真空泵的应用得到了各相关行业的更加广泛的推广 图1 SZ-4型水环式真空泵 水环泵和其它类型的机械真空泵相比有如下优点： 结构简单，制造精度要求不高，容易加工。 结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动机直联，无须减速装置。故用小的结构尺寸，可以获得大的排气量，占地面积也小。 压缩气体基本上是等温的，即压缩气体过程温度变化很小。 由于泵腔内没有金属磨擦表面，无须对泵内进行润滑，而且磨损很小。转动件和固定件之间的密封可直接由水封来完成。 吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。 水环泵也有其缺点：效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。 真空度低，这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液，极限压强只能达到2000~4000Pa。用油作工作液，可达130Pa。工作原理 如图1所示，叶轮①偏心地装在泵体②内，起动时向泵内注入一定高度的水，因此当叶片旋转时，水受离心力的作用而在泵体壁上形成-旋转水环③，水环上部内表面与轮毂相切，沿箭头方向旋转，在前半转的过程中，水环内表面逐渐与轮毂脱离，因此在叶轮叶片间形成空间并逐渐扩大，这样就在吸气口吸入空气；在后半转的过程中，水环的内表面渐渐与轮毂靠近，叶片间的空间容积随着缩小，叶片间的空气因此被压缩而排出。如此叶轮每转动一周，叶片间的空间容积改变一次，每个叶片间的水好像活塞一样往复一次，泵就连续不断地抽吸气体。 图3 SZ-4型水环式真空泵结构图 由于在工作中，水会发热，同时一部分水会气体一起被排走，因此泵在工作中，泵中必须不断地供给冷水，以冷却和补充泵内消耗的水。供给的冷水以15℃为宜。当泵排出的气体是废气的时候，在排气一端接有一水箱，废气和所带的一部分水排入水箱后，气体再由水箱的出管，而水就落入水箱的底部经回水管再回到泵内使用，如果水循环时间长了便会发热，这时需从水箱的供水处供给一定的冷水。 2 SZ-4型水环式真空泵轴孔磨损，轴磨损及断裂 自08年11月份检修台帐，单是1#真空泵因为轴孔磨损导致设备检修有3次，轴磨损及断裂有7次。下面根据水环式真空泵和压缩机结构对比，分三方面分析断轴原因。 2.1轴孔磨损分析及解决 由于SZ-4型水环式真空泵叶轮与轴的形位公差Φ90D/d，为间隙配合，而且SZ-4泵的工作原理是叶轮偏心安装，存在交变工况受力严重不均。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。 2.2轴孔磨损解决方法 由图纸和测量结果可得： 包容直径Da=160mm 结合直径Df=90mm 被包容内径Di=0mm 结合长度Lf=172mm 由《机械零件设计手册》可查得 微观不平十点高度Rza=Rzi=0.0032 包容件屈服点=230MPa，包容件弹性模量Ea=190000N/ 被包容件屈服点=785MPa,被包容件弹性模量Ei=211000N/ 包容件和被包容件的泊松比==0.3,摩擦系数=0.11 电机转速n=740r/min，电机功率P=75kw 由此计算得，传递力Fi=9550P/n=9550 =967.9Nm 保持轴与轴孔不窜动，在该Fi作用下传递载荷所需的最小结合压力 Pf min=4.075N/ 传递载荷所需的最小有效过盈量=0.00054mm 保持轴与轴孔不窜动，联结件不产生塑性变形的传递力 F1=491904N 连接件不产生塑性变形所容许的最大有效过盈量=0.123mm 则选择配合的步骤和结果： 选择配合的要求 []0.0105mm []≤0.123mm 初选基本过盈量 0≤，取=0.05mm 查表确定配合H7/r6 []=0.073mm []=0.016mm 在该配合条件下能有效保持轴与轴孔的定位，有效地防止轴孔磨损。 2.3轴疲劳强度校核 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。气体在泵腔的作用力，可分为四个区域，如图6 图4 β1区域：在该区域内，可认为吸入压力不变； β2区域：压力随β角的增加而增加； β3区域：可认为压力不变，等于排气压力； β4区域：由于气体透过径向间隙，从排气区泄露到吸气区。可认为在该区域内气压由排气压力直线地下降到吸入压力。 这四个区域对轴作用力的合力，即为气体对泵轴的径向力。 SZ-4型泵材质差，计算精度很底，安全系数应当在n=1.8~2.5。 由检修情况知轴断部位为转子安装位置，对该面进行应力校核 线钢，可用第三强度理论求出危险截面的当量应力 = 式中——危险截面上弯矩产生的弯曲应力； ——扭矩产生的切应力。 对于直径为d的圆轴 =，== 式中W, ——分别为轴断的抗弯，抗扭截面模量。 将和值代入表达式得 == 转轴的为对称循环变应力，而的循环特性往往与不同，为考虑两者循环特性不同的影响，对式中T乘以折算系数，则弯扭强度计算的校核为： == 式中——当量弯矩（Nmm） ——根据扭矩性质而定的折算系数。 SZ型真空泵技术规范表（上海泵阀制造有限公司）： 图5 注：1.线的排气量随着供水量的大小与侧盖间隙的大小而变化，特别是流量较小时，如调整不准确，更容易引起偏小。2表内的数值是在下列条件下提出：水温15°C，空气20°C，气体相对湿度70%，大气压力760mmHg。表内数据偏差不超过5%。 抗弯截面模量W=π/32=0.1 Nmm=72900Nmm 抗扭截面模量=0.2=0.2Nmm=145800Nmm 由图5可得，计算轴在真空度最大时受力最大，轴受弯矩M=1.50.0/1000000=35391.72N 截面上的扭矩T=9550P/n=955075740=967905Nmm 危险截面的当量应力 ==16.9Mpa 轴材料为45钢，调质处理，由轴常用材料性能表查得σB=640MPa，σ-1＝275MPa，τ-1=155MPa，截面上由于轴肩而形成打得理论应力集中系数册可得轴的材料的敏性系数为， 故有效应力集中系数为 ＝1.82 由手册得尺寸系数；扭转尺寸系数。 轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为 轴未经表面强化处理，即，则按手册得综合系数为 又由手册得材料特性系数 ψσ=0.1~0.2, 取ψσ=0.1 ψτ=0.05~0.1, 取ψτ=0.05 于是，计算安全系数Sca值，按公式则得 =1.2n 通过计算可知，轴的疲劳强度是满足不了安全系数的要求的。 2.4轴裂、断解决方法探讨 1 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。 2 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。  3SZ-4型水环式真空泵叶片断裂 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。 3.1叶片断裂分析 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，如图4，图5所示。叶轮连续不断旋转，上述正、负压状态呈周期性变化。 图5叶片工作过程 图6叶片受力状态 起动之前，泵

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