多級污水污物潛水電泵斷軸原因分析與工藝改進

任 兵,林成波（新界泵業集團股份有限公司,浙江 臺州 317525）

多級污水污物潛水電泵斷軸原因分析與工藝改進

任 兵,林成波
（新界泵業集團股份有限公司,浙江 臺州 317525）

多級污水污物潛水電泵在使用過程中，時常出現泵軸斷裂現象，嚴重影響水泵的使用。為了準確找出水泵斷軸的具體原因，本文采用光譜儀、金相顯微鏡、硬度計等儀器對斷軸的化學成分、宏觀斷口等進行了綜合研究分析，發現結構設計、生產工藝不合理等原因是引起多級污水污物潛水電泵斷軸的主要原因，并基于此提出了相應的工藝改進措施，以期為提高多級污水污物潛水電泵泵軸的長期耐用性提供相應的參考。

多級潛污泵；泵軸；斷軸；工藝改進

0 前言

在水泵生產制造的過程中，若零件的熱處理工藝控制不當、零件結構設計不合理等，都會導致水泵無法正常工作，而部分泵軸在軸肩部位的早期失效斷裂故障則是影響水泵正常運轉的重要原因，因此，對斷裂的水泵軸進行了綜合檢測分析與研究。

1 研究與分析過程

1.1 水泵規格和檢驗方法

本次出現斷軸的是WQ20-120/4-15型多級污水污物潛水電泵（簡稱多級潛污泵），水泵流量為Q=20m3/h，揚程H=120m，功率P=15kW，轉速n=2900r/min，泵軸材料為40Cr。斷軸的部位在骨架油封位置的安裝軸套軸肩處。在失效分析方法的指導下，分別采用光譜儀、金相顯微鏡、硬度計等相關分析儀器對泵軸進行了詳細的檢測。

1.2 研究與分析

（1）斷軸材料的化學成分檢測

首先對是多級潛污泵的斷軸處進行取樣；用光譜儀對樣本進行化學成分檢測，具體表現如表1。

表1 水泵軸化學成分

（2）斷軸樣本的硬度檢測。在該檢測過程中，主要采用數顯布氏硬度計對斷軸樣本進行硬度檢測，并按照0.1mm的遞增值，由表層向中心依次檢測硬度值。泵軸在使用的過程中，不僅要求其具有較高的強度，亦要求其具有較好的耐磨性，這也就意味著，對軸回火后的硬度設計要求一般需在241-286HBW之間，才能滿足多級潛污泵的實際運用效果。但就實際的斷軸樣本硬度檢驗結果而言，其表層硬度在190HBW，中心硬度在215HBW之間，很顯然，無論是斷軸樣本的表層硬度，還是中心硬度均不滿足軸硬度的相關設計要求。

（3）觀察泵軸斷裂處金相組織。在該檢測環節，分別就水泵軸斷裂處的橫截面、豎截面截取相應的樣本，并將兩種樣本分別放在金相顯微鏡下，對其斷裂處的組織進行仔細的觀察。在金相顯微鏡的觀察過程中發現，在水泵軸斷裂處的表層面，存在大約0.2mm左右的脫碳層；斷軸樣本軸心處的組織表現為回火索氏體以及鐵素體，而且其中鐵素體的組織形態呈現出魏氏組織形態；此外，將其中的脫碳層進行放大處理，可以發現其中的碳化物主要呈現出粒狀的組織結構。

（4）非金屬夾雜物檢測。在該檢測環節，首先要在水泵斷軸處進行取樣；其次，對斷軸樣本進行拋光處理，并對其表面進行觀察，發現軸樣本表面具有較多的球狀夾雜物，則表明，在泵軸生產的過程中，軸原材料夾雜有氧化物。

1.3 研究結果討論

經過以上五個環節對多級潛污泵斷軸樣本試驗研究結果，分析得知，泵軸斷裂的原因主要有：一是水泵斷軸處的軸肩退刀槽預留圓角過小，幾乎形成直角，使得軸肩處出現過大的應力集中；二是脫碳層的存在使得泵軸表面的抗疲勞強度以及硬度下降，使得工作過程中的泵軸很容易發生疲勞開裂現象；三是回火索氏體以及鐵素體的存在表明泵軸生產過程中淬火加熱溫度以及冷卻溫度不足，而鐵素體呈現出的魏氏組織形態則表明泵軸在使用的過程中很容易在鐵素體的尖端部位產生過大的應力集中，從而產生出呈現不同方向的裂紋，影響了泵軸的力學性能。

2 工藝改進及結果

為改善多級潛污泵泵軸的使用質量，促進水泵的正常運轉，并延長其使用壽命，在以上研究結果的基礎之上，對泵軸的設計方案以及生產工藝進行了優化改進，具體表現如下：一是在水泵軸的軸肩處由原來2×0.5的退刀槽改為R2的圓角，以避免軸肩尖角處應力集中過大，軸套內孔處做C3的倒角處理，這樣不影響軸套安裝（見下圖1，圖2）。

圖1 改進前

圖2 改進后

二是在水泵軸生產制造的過程中，采用氮氣保護氣氛對水泵軸的零部件進行加熱處理，以避免軸表面氧化脫碳，形成脫碳層，影響水泵軸的使用質量；三是在泵軸淬火加工的過程中，要將泵軸的淬火溫度在原有的溫度基礎之上再提高 20℃，并改用鹽水冷卻替代傳統使用的油冷冷卻方法，這樣以來，由于加熱溫度的提高以及冷卻速度的加快，則有利于泵軸組織形態的優化，水泵軸可以由外到內都形成馬氏體組織。

3 結語

綜上所述可知，造成多級污水污物潛水電泵軸斷裂的主要原因有：軸肩退刀槽的預留圓角過小、泵軸熱處理的保護措施不到位、淬火加熱溫度過低、冷卻速度較慢等原因，導致水泵在正常運轉過程中，由于局部應力集中過大或者是剛度不夠，很容易發生泵軸撕裂現象，嚴重影響了泵軸的使用壽命。因此，要通過相應的結構優化和工藝改進措施，來確保水泵的產品質量。

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