多级污水污物潜水电泵断轴原因分析与工艺改进

任 兵,林成波（新界泵业集团股份有限公司,浙江 台州 317525）

多级污水污物潜水电泵断轴原因分析与工艺改进

任 兵,林成波
（新界泵业集团股份有限公司,浙江 台州 317525）

多级污水污物潜水电泵在使用过程中，时常出现泵轴断裂现象，严重影响水泵的使用。为了准确找出水泵断轴的具体原因，本文采用光谱仪、金相显微镜、硬度计等仪器对断轴的化学成分、宏观断口等进行了综合研究分析，发现结构设计、生产工艺不合理等原因是引起多级污水污物潜水电泵断轴的主要原因，并基于此提出了相应的工艺改进措施，以期为提高多级污水污物潜水电泵泵轴的长期耐用性提供相应的参考。

多级潜污泵；泵轴；断轴；工艺改进

0 前言

在水泵生产制造的过程中，若零件的热处理工艺控制不当、零件结构设计不合理等，都会导致水泵无法正常工作，而部分泵轴在轴肩部位的早期失效断裂故障则是影响水泵正常运转的重要原因，因此，对断裂的水泵轴进行了综合检测分析与研究。

1 研究与分析过程

1.1 水泵规格和检验方法

本次出现断轴的是WQ20-120/4-15型多级污水污物潜水电泵（简称多级潜污泵），水泵流量为Q=20m3/h，扬程H=120m，功率P=15kW，转速n=2900r/min，泵轴材料为40Cr。断轴的部位在骨架油封位置的安装轴套轴肩处。在失效分析方法的指导下，分别采用光谱仪、金相显微镜、硬度计等相关分析仪器对泵轴进行了详细的检测。

1.2 研究与分析

（1）断轴材料的化学成分检测

首先对是多级潜污泵的断轴处进行取样；用光谱仪对样本进行化学成分检测，具体表现如表1。

表1 水泵轴化学成分

（2）断轴样本的硬度检测。在该检测过程中，主要采用数显布氏硬度计对断轴样本进行硬度检测，并按照0.1mm的递增值，由表层向中心依次检测硬度值。泵轴在使用的过程中，不仅要求其具有较高的强度，亦要求其具有较好的耐磨性，这也就意味着，对轴回火后的硬度设计要求一般需在241-286HBW之间，才能满足多级潜污泵的实际运用效果。但就实际的断轴样本硬度检验结果而言，其表层硬度在190HBW，中心硬度在215HBW之间，很显然，无论是断轴样本的表层硬度，还是中心硬度均不满足轴硬度的相关设计要求。

（3）观察泵轴断裂处金相组织。在该检测环节，分别就水泵轴断裂处的横截面、竖截面截取相应的样本，并将两种样本分别放在金相显微镜下，对其断裂处的组织进行仔细的观察。在金相显微镜的观察过程中发现，在水泵轴断裂处的表层面，存在大约0.2mm左右的脱碳层；断轴样本轴心处的组织表现为回火索氏体以及铁素体，而且其中铁素体的组织形态呈现出魏氏组织形态；此外，将其中的脱碳层进行放大处理，可以发现其中的碳化物主要呈现出粒状的组织结构。

（4）非金属夹杂物检测。在该检测环节，首先要在水泵断轴处进行取样；其次，对断轴样本进行抛光处理，并对其表面进行观察，发现轴样本表面具有较多的球状夹杂物，则表明，在泵轴生产的过程中，轴原材料夹杂有氧化物。

1.3 研究结果讨论

经过以上五个环节对多级潜污泵断轴样本试验研究结果，分析得知，泵轴断裂的原因主要有：一是水泵断轴处的轴肩退刀槽预留圆角过小，几乎形成直角，使得轴肩处出现过大的应力集中；二是脱碳层的存在使得泵轴表面的抗疲劳强度以及硬度下降，使得工作过程中的泵轴很容易发生疲劳开裂现象；三是回火索氏体以及铁素体的存在表明泵轴生产过程中淬火加热温度以及冷却温度不足，而铁素体呈现出的魏氏组织形态则表明泵轴在使用的过程中很容易在铁素体的尖端部位产生过大的应力集中，从而产生出呈现不同方向的裂纹，影响了泵轴的力学性能。

2 工艺改进及结果

为改善多级潜污泵泵轴的使用质量，促进水泵的正常运转，并延长其使用寿命，在以上研究结果的基础之上，对泵轴的设计方案以及生产工艺进行了优化改进，具体表现如下：一是在水泵轴的轴肩处由原来2×0.5的退刀槽改为R2的圆角，以避免轴肩尖角处应力集中过大，轴套内孔处做C3的倒角处理，这样不影响轴套安装（见下图1，图2）。

图1 改进前

图2 改进后

二是在水泵轴生产制造的过程中，采用氮气保护气氛对水泵轴的零部件进行加热处理，以避免轴表面氧化脱碳，形成脱碳层，影响水泵轴的使用质量；三是在泵轴淬火加工的过程中，要将泵轴的淬火温度在原有的温度基础之上再提高 20℃，并改用盐水冷却替代传统使用的油冷冷却方法，这样以来，由于加热温度的提高以及冷却速度的加快，则有利于泵轴组织形态的优化，水泵轴可以由外到内都形成马氏体组织。

3 结语

综上所述可知，造成多级污水污物潜水电泵轴断裂的主要原因有：轴肩退刀槽的预留圆角过小、泵轴热处理的保护措施不到位、淬火加热温度过低、冷却速度较慢等原因，导致水泵在正常运转过程中，由于局部应力集中过大或者是刚度不够，很容易发生泵轴撕裂现象，严重影响了泵轴的使用寿命。因此，要通过相应的结构优化和工艺改进措施，来确保水泵的产品质量。

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