单螺杆泵振动分析及解决方法

张丽张国勇陈玲何文德文瑜鑫

(四川化工职业技术学院)（云南水富云天化有限公司重庆分公司）

单螺杆泵振动分析及解决方法

张丽*张国勇陈玲何文德文瑜鑫

(四川化工职业技术学院)（云南水富云天化有限公司重庆分公司）

对单螺杆泵的振动进行了较为详细的对比分析，并根据振动原因提出了相应的解决方法。

螺杆泵机械装配安装管线振动转子减速器

0 前言

单螺杆泵在发达国家已广泛使用，德国称之为“偏心转子泵”。由于单螺杆泵具有优良的性能，因而近些年该泵在国内的应用也迅速扩大。单螺杆泵的最大特点是对介质的适应性强、流量平稳、压力脉动小、自吸能力高，这是其它任何泵种所不能替代的。

某石化公司液体罐区的装料和卸料工作均由单螺杆泵来完成，这是因为螺杆泵在停车时对介质具有“自锁性”，特别适合于危险化学品的装卸车。从该公司多年来螺杆泵的运行情况看，振动偏大是它的一大缺点。其中，部分螺杆泵还出现进出口管线发生振动的情况，有时甚至还带着管廊一起振动。

本文结合实际生产情况，对单螺杆泵的振动进行了较为详细的对比分析，并根据振动原因提出了相应的解决方法。

1 单螺杆泵结构及工作原理

1.1 单螺杆泵的结构

单螺杆泵是一种内啮合的密闭式螺杆泵，属转子式容积泵。单螺杆泵的结构如图1所示。该泵的主要工作部件由具有双头螺旋空腔的定子和在定子孔内与其啮合的单头螺旋螺杆即转子组成[1]。

图1 螺杆泵结构

1.2 单螺杆泵的工作原理

当输入轴通过万向节驱动转子绕定子作行星回转时，定子与转子副就连续啮合形成密封腔，这些密封腔容积不变地作匀速轴向运动，输入介质从吸入端流经定子-转子副输送至压出端。

如图2所示，螺杆泵主要部件为转子和定子。转子是一个大导程、大齿高和较小螺旋内径的螺杆，具有1/2几何形状的圆截面和2/3几何形状的椭圆形截面。定子是与之相配的双头螺线的螺套。这样在转子和定子间形成了存储介质的空间，当转子在定子内运动时，介质沿轴向由吸入端向排出端运动。

图2 螺杆泵360°1/2几何形状截面

2 螺杆泵的振动对比分析

影响螺杆泵振动的因素大致可以分为三个方面：机械装配、安装、管线。

2.1 螺杆泵振动数据收集

根据部分螺杆泵的运行情况，收集其振动数据如表1所示。

表1 螺杆泵振动数据（单位：mm/s）

2.2 机械装配方面

2.2.1 定子开裂损坏

螺杆泵定子内表面为橡胶材质（丁晴橡胶）。若橡胶表面开裂出现沟槽，开裂表面就会与转子产生摩擦，不仅会加速转子的磨损，同时还会产生间断性的振动。

2.2.2 万向节

螺杆泵在运行时，转子作行星运动，其轴线并不与驱动的动力源的轴线处在同一直线上。这样，转子和驱动轴之间必须有特殊的构件，使动力源的驱动轴能带动转子完成这样的行星运动，这一特殊构件即为万向节。这样，由驱动轴带动万向节，再由万向节带动转子，完成绕定子轴线的行星回转运动。该公司螺杆泵(见表1)均采用销柱式万向节。

2.2.2.1 万向节同轴度误差较大

若万向节同轴度误差较大，则连杆轴带动转子运行不在一条线上，会造成偏心运动，使转子与定子发生摩擦造成振动。

2.2.2.2 万向节内零部件磨损

万向节由销柱、销套、保护套、传动接头、钢丝挡圈等构成，如图3所示。由于销柱（5075，为万向节零件编号，下同）在销套（5440）孔内作转动的同时还作摆动，受力较为复杂，因此其磨损也较为严重，有些甚至磨损成了对称异形（见图4）。

若内部零部件被磨损，则配合间隙将增大，造成两端转子运行偏心。这样，不仅会导致运行噪音大，同时还会伴有振动加剧现象，振动很大时将会损坏延长轴上安装的机封。

图3 万向节

图4 销柱磨损

2.2.3 轴承部位

在直连型螺杆泵系统中，电机、减速器设备内也都存在着轴承。若任何一处的轴承出现不同程度的损坏，均会产生一定的振动和异响。轴承部位的损坏有两种情况：一是轴承本身的损坏；二是轴承内外圈的配合面出现了间隙（跑圆）。

2.2.4 减速器齿轮磨损

该石化公司螺杆泵使用的减速器都是齿轮传动减速器。若减速器齿轮出现磨损，齿轮渐开线齿形被破坏，齿轮间隙增大，运行时就会不断地碰击啮合齿轮，导致传动效率降低并加速齿轮的磨损，甚至伴随有振动和杂音产生。

2.2.5 连接部位

直连型螺杆泵存在两个连接部位：一是电机与减速器的连接，采用承插平键传动；二是减速器与延长轴的连接，采用承插销柱连接传动。

在这两个传动中，容易损坏的为电机减速器连接，由于受力较大，往往容易损坏平键和轴孔键槽配合面。一旦连接部位出现损坏，配合出现间隙，键在传力过程中就会出现配合面位置偏离，出现传力小范围集中。这样不仅会加速磨损配合面，同时还会产生较大的振动和异响。

2.2.6 电机减速器一体

现场发现，很多螺杆泵的电机减速器是一体的，其中很多电机减速器均为悬空式安装（图5），有的电机末端与支座距离约有1 m。由于悬臂跨度太长，电机得不到有效的支撑，造成电机末端在运行时振动较大。由表1可见，位号P0321的螺杆泵振动值最大，振动最明显。

图5 电机减速器悬空图

2.3 安装方面

2.3.1 设备安装

螺杆泵安装在机座上，有三个部位的连接点：定子两端的2个支脚、直连支架地脚。若这三个点支脚的连接螺栓没有紧固牢固，均会不同程度地引起振动并引发异响。

2.3.2 水泥机座安装

设备底座在水泥机座上有不同的安装方式。通过对比发现，将设备底座全部浇灌在水泥机座内（见图6，P0320），机泵振动值都偏小；将设备底座安装在水泥机座上（见图7，P0318），振动值都偏大；将设备机座安装在表面，但基座内填充水泥（见图8，P0309），振动值相对较小。表1显示了振动的对比结果。

图6 全浇灌机座（P0320）

图7 全安装机座（P0318）

图8 半浇灌机座（P0309）

2.4 管线方面

2.4.1 入口过滤器

在螺杆泵的入口设置了一个过滤器。若过滤器的滤芯被异物堵塞，则入口管线没有介质通过，便会造成螺杆泵空吸干磨，造成螺杆泵异常振动并发生异响，加剧零部件的磨损。

2.4.2 管道应力

螺杆泵的进出口法兰与进出口管道相连不应存在管道应力。若管道法兰与螺杆泵法兰发生错位后强制相连，则会在管道口和设备管口上增加应力。让设备在强制偏移下运行，不仅会产生振动，同时也会加速转子部件的磨损。

2.4.3 管径

螺杆泵的吸入管径应与泵的设计相匹配。过小的管径会造成供料不足，进而影响泵的输出流量和压力，严重时还会引起管线振动和定子损坏。这可以通过下面的计算来验证：

式中Qv——流体体积流量，m3/s；

u——流体流速，m/s；

A——流体流通截面积，m2。

一般工厂管道采用圆管，A=（π/4）d2，即

式中d——管子内径，m。

以位号P0321泵为例，介质流量Qv为0.013 9 m3/s，安全流速2～3 m/s，取3 m/s。经计算可得：

通过计算可知，管子内径必须≥77 mm以上。

2.4.4 管架的设置

管道的安装应设置相应的支撑点，其中泵的进出口法兰不应该承受管道的重量。管架设置合理，不仅会降低管道的振动，同时还会起到保护设备的作用。

3 针对存在的问题提出解决法

3.1 机械装配的检查

对于发生振动的螺杆泵，当依靠工艺操作无法解决振动问题时，有必要对设备解体作彻底检查。

3.1.1 转子定子的检查

拆卸定子时，可以首先通过拆卸过程，感觉其松紧程度来检验转子与定子之间的间隙是否符合要求。合适的间隙为0.11～0.48 mm（冷态）。

拆卸后通过检查转子和定子的表面状况来判断是否能够继续使用（见表2）。

表2 转子定子表面数据

若表面出现较深的划痕或者直接开裂（见图9），则需要重新更换定子。

图9 定子内表面开裂

3.1.2 万向节的检查

拆卸万向节，检查其内部所有零部件是否磨损，同时检查配合间隙是否达到要求。配合件的安

装和拆卸均采用压入和压出的方式进行。若使用敲击方式，则需要对配合件进行处理。

3.1.3 轴承、减速器检查

解体拆卸后，检查电机、减速器的轴承游隙是否符合要求；轴承与轴、外壳的配合是否到位；测量减速器齿轮的啮合间隙是否达标。通过检查，对零部件进行必要的更换或者修配。

3.1.4 电机减速器悬空处理

通过实际测量，电机减速器基本悬空长度在1 m左右。为了减少悬空长度带来的振动，在电机原非支撑端末端下面增加了一个高度可调节的支撑，并垫以橡胶皮减振（见图10）。

将增加支撑后测量所得到的数据列于表3中。

图10 减振支撑

由表3可见，增加支撑对螺杆泵改善振动有较好的效果。

表3 振动值对比（单位：mm/s）

3.2 安装检查

3.2.1 安装人员检查

在维修螺杆泵进行现场安装时，维修人员要对现场的所有连接部位进行紧固到位，紧固后要进行专项检查，避免连接不牢固造成的设备振动。

3.2.2 水泥机座的改进

通过前述第2.3.2条的分析可以看出，全浇灌机座和半浇灌机座的振动都较小，全安装机座振动较大，所以可采取类似的方法对所有机座进行改造。为了兼顾施工和维修的便利性，建议使用半浇灌机座更为合理。

3.3 管线检查

3.3.1 过滤器检查

当运行的螺杆泵出现异常振动时，工艺人员有必要首先停车对过滤器滤网进行拆卸检查，为维修人员快速维修提供依据。

3.3.2 管道应力检查

拆卸设备的进出口连接法兰，检查配对法兰是否存在较大错位和大间隙的现象。若存在此类现象，则需要增加软连接或者重新焊接法兰来调整管线连接的相对位置[2]。

3.3.3 管径的确定

通过第2.4.3条的计算可以得出，管子内径必须≥77 mm。现场实际测得所使用的入口管为∅108×4，内径为100 mm；出口管为∅89×4，内径为81 mm，均符合上述要求。

3.3.4 管架的检查

通过现场测定并与表4数据进行对比可知，现场管线的实际管架距离均在参考值以内。

表4 钢管管道支架最大距离

所有管道支架的间距都应在上述表4的参考值范围内。此外，进出口管的质量也不能由设备来承重，需要在进出口处增加管道支架进行支撑，以减少管道对设备振动的影响。

4 结束语

本文通过对螺杆泵振动原因的分析，提出了相应的解决措施，对螺杆泵的安稳运行起到了比较大的指导作用。不仅有利于保证该石化公司装卸车的正常进行，同时也有助于提高工艺和维修人员对故障现象的判定能力和基本的处理排查能力。

[1]王绍良.化工设备基础[M].第2版.北京：化学工业出版社，2009.

[2]SHS 01016—2004螺杆泵维护检修规程[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）