帶軸頭機械密封改進性設計

劉廣棟， 劉勇進， 曹春榮

（1.青島航保機電設備有限公司， 山東 青島 266114；2.92330 部隊， 山東 青島 266103；3.青島市政府發改委， 山東 青島 266000）

引言

在役某型海水泵機械密封安裝方式特殊，需要通過機械密封尾端設計延長軸頭，軸頭安裝在電機軸上，葉輪安裝在軸頭尾部。延長軸頭作為機械密封零部件整合在機封設計方案中，兼顧固定機械密封、延長軸、固定泵葉輪功能，對設計要求較高。工作中，受機械密封整體結構設計、加工、施工等諸多因素影響，經常出現葉輪安裝后跳動量超標（達0.06～0.08 mm）、泵組運行振動大、機械密封軸向安裝定位尺寸偏差大等問題，裝備的可靠性差，對系統整體安全性產生較大影響。

1 原機械密封結構

如圖1 所示為機械密封總體結構圖，從圖1 可以看出，電機軸伸出端軸徑Ф25h6，軸深入泵腔中，軸尾部通過螺紋方式旋入一延長軸頭，泵的葉輪安裝在軸頭上。

圖1 機械密封總體結構

此型機封安裝順序：將機械密封主體部分（不包括軸頭）安裝到電機軸上；安裝泵殼；將軸頭旋入電機軸，安裝牢固；將機械密封壓蓋通過聯接螺栓固定在泵殼上；使用螺栓將軸頭固定到機械密封底端；安裝葉輪[1]。

機械密封安裝完畢后，密封軸套頂端與電機軸臺肩之間有間隙，間隙大小受電機、泵體安裝精度影響。泵組工作時，電機電動軸旋轉，軸傳動給軸頭，軸頭傳動給機械密封動環組件以及葉輪。

電機軸與軸頭配合公差為軸徑Ф25h6，機械密封軸套底部以及軸頭內孔公差為Ф25（+0.1～+0.15），配合間隙較大。

2 原機械密封方案隱患分析

從整體結構上分析，原機械密封安裝失準、密封性能失效原因如下：

2.1 軸頭存在未安裝到位風險

機械密封軸套軸向定位完全依賴于軸頭與電機軸的旋入深度。機械密封初始安裝施工過程中，存在軸頭旋入精度差、未擰到位、螺紋連接預緊力不夠的風險，導致機械密封軸向數據失準，工作參數變化，密封整體性能下降；同時也造成安裝在軸頭上的葉輪工作不穩定。

2.2 機械密封在電機反轉工況下存在密封失效風險

如圖1 所示，從結構上分析，機封軸套鎖在軸頭上，軸頭以螺紋連接方式旋接固定在軸上，為保證機械密封工作穩定可靠、不軸頭不松脫、軸套不產生軸向移動，電機的旋轉方向必須與電機軸尾端螺紋旋向相反。

經查，此型號海水泵在工作中有短時的反轉工況。在長時間工作狀態下，機械密封軸頭與電機軸之間的螺紋連接存在松脫的可能[2]。當電機反轉在軸頭上產生的扭矩大于軸頭與電機軸之間螺紋連接阻力力矩時，軸套旋入結構連接松脫、軸套下移，導致機械密封工作參數變化，彈簧壓縮量變小、密封環初始閉合壓力降低，密封性能下降，甚至密封完全失效。

2.3 軸頭裝配精度低，造成徑向跳動超標風險

作為安裝泵葉輪的軸頭，其徑向跳動量要求小于0.04 mm。軸頭的跳動量完全取決于軸頭與電機軸之間的安裝精度。在原方案中，軸頭與機械密封軸套、軸頭與電機軸之間均為間隙配合，且間隙值達0.1～0.15，此兩處配合均無法定位電機軸與軸頭。軸頭的定位完全由軸頭與電機軸之間旋合螺紋決定。查詢《普通螺紋公差與配合》（GB/T 197—2003），經常拆裝的螺紋推薦采用H/g 配合。原方案圖紙要求，軸頭螺紋為M20-6H/6g，屬于易拆裝的松配合，無法實現軸頭精確定位。軸頭跳動量超標直接導致葉輪安裝形位失準，造成泵組運轉時振動偏大，影響機械密封的密封性能。

從以上分析可以看出，軸頭達不到徑向跳動允許差0.04 mm，屬于設計本身固有缺陷，沒有考慮軸頭精確定位因素。

3 改進性設計

3.1 機封結構整體改進，實現兼容泵組正反轉功能

1）密封環傳動方式由原方案的螺母鎖緊方式改為傳動銷傳動，傳動可靠，避免了泵反轉時密封環鎖緊螺母松脫風險，同時簡化機械密封結構。

2）機械密封軸頭、軸套通過頂端的凹端緊定螺釘鎖在電機軸上，電機軸通過緊定螺釘向機械密封軸套、軸頭傳遞扭矩[3]。軸頭通過6 個緊定螺釘固定與機械密封軸套底部，葉輪通過兩個緊固螺母固定在軸頭。此方案優點是電機扭矩傳遞與軸頭和電機軸M20連接螺紋無關，反轉工況下軸頭沒有因反向扭矩松脫風險。

如圖2 所示為改進性設計總體方案示意圖。新型機封安裝順序：將機械密封主體部分（不包括軸頭）安裝到電機軸上；安裝泵殼；將軸頭旋入電機軸，安裝牢固；將機械密封壓蓋通過聯接螺栓固定在泵殼上；使用螺栓將軸頭固定到機械密封底端；鎖緊機械密封軸套頂端的緊定螺釘，機封軸向定位；安裝葉輪。

圖2 改進性設計總體方案（單位：mm）

3.2 改變機封軸套與電機軸之間密封型式

在軸套與軸頭之間設置O 型密封圈，密封組件在機械密封內部實現，密封簡單、可靠。

3.3 改變軸頭與軸公差配合

電機軸尺寸公差為Ф25h6，根據GB/T 1801—2009，基準軸h6 的間隙配合推薦F7/h6、G7/h6、H7/h6三種。軸頭螺紋配合為M20-6H/6g，軸頭Ф25 孔按照三種推薦配合進行了試制：

1）軸頭采用Ф25 H7/h6 配合，軸頭安裝阻力極大、螺紋連接旋入困難。軸頭安裝到位后測量，跳動量小于0.02 mm。拆卸后發現軸頭內孔嚴重拉傷、報廢，電機軸輕度受損。

2）軸頭采用Ф25 G7/h6 配合，安裝阻力較大，軸頭旋入阻力比較困難。軸頭安裝到位后測量，跳動量小于0.03 mm。拆卸后發現軸頭內孔局部環形拉痕，軸頭報廢。

3）軸頭采用Ф25 F7/h6 配合，安裝、拆卸順暢，軸頭安裝到位后測量，跳動量在0.020～0.035 mm 范圍內，符合泵葉輪安裝技術要求。

經試驗、調整，綜合滿足軸頭跳動量技術指標、零部件拆裝方便，軸頭內孔Ф25 公差采用F7/h6 配合（+0.02～+0.041），配合軸向長度15 mm，軸頭徑向跳動小于0.04 mm。

4 運行考核試驗驗證

機械密封安裝改進方案實施后，進行了100 h 長時間臺架運行考核，期間進行了3 次拆裝檢查，機械密封工作正常；軸頭拆裝便捷、軸頭跳動量在0.020～0.035 mm，符合技術要求。目前改型機封已經量產并裝備使用。

5 結語

整體泵組設計存在電機軸短的缺陷，在不改變電機、泵葉輪、泵殼組件技術條件的情況下，通過優化機械密封設計，特別是優化延長軸頭設計，調整配合間隙、安裝方式等，實現了在役裝備的改進性修理，延長了裝備使用壽命，提高了裝備可靠性、穩定性，取得了較為可觀的經濟效益。