基于多级离心泵平衡装置结构优化的应用分析

基于多级离心泵平衡装置结构优化的应用分析

金兵，唐强武[1]，陈峰，刘开放，黄孝荣

（江西铜业股份有限公司武山铜矿，江西九江332204）

摘要：本文以武山铜矿井下泵站的DF280-65*9多级离心泵（5、6号机）为应用对象，通过分析平衡装置当前所存在的问题，采取定向优化结构的方法，解决了在实际作业中更换平衡盘作业困难、劳动强度大、耗时长、材料备件成本高等问题。结果表明：优化后的平衡装置可以满足离心泵的工作要求，优化方法可以在备件厂家中用于实施改进装置结构。本文所阐述的优化方法可以为矿山同类型问题提供借鉴与参考。

关键词：DF280-65多级离心泵平衡装置定向结构优化

中图分类号：TD 442

一、引言

武山铜矿井下泵站新增了两台DF280-65*9多级离心泵，该类型水泵依靠自身的平衡装置，平衡水泵运行过程中所产生的轴向力，并随着轴向力作用使平衡装置摩擦失效，因此日常维修工作是通过更换平衡装置保证水泵工作。泵站进水管道水质中包含较多泥沙杂物，离心泵运行一段时间后内部各结构间隙塞满杂质，使平衡装置装配面摩擦卡紧，导致平衡装置拆卸困难[1-4]。

平衡装置主要包括平衡盘和平衡环两个零件，其中平衡盘装配面长，是阻碍更换作业的主要因素，因此本文针对平衡盘采取定向结构优化，降低拆卸平衡盘过程中装配面阻力，优化拆卸方法。本文着重通过结构优化前后实际作业情况对比分析，以此肯定本文思路与方法具有较大的实际应用价值。

二、平衡盘结构及失效分析

（1）平衡盘结构

平衡装置位于离心泵出水端平衡室内，其作用是平衡抵消水泵运行过程时的轴向力。下图2.1为平衡装置在水泵中的位置。平衡环则是通过安装螺丝固定在泵体上，平衡盘与水泵主轴、平衡套配合，并通过平键限制径向自由度，跟随水泵主轴同步转动。平衡盘在转动中与平衡环轴向接触。图2.2显示出平衡盘各关键零部件的装配关系。

图2.1：平衡装置组装位置

图2.2：平衡盘装配关系

（2）失效分析

从实际更换作业中可以看出，平衡装置的失效形式主要是平衡盘、平衡环的材料磨损[5-6]，如下图2.3所示。当电机联轴器带动水泵主轴高速转动时，平衡盘随主轴旋转，平衡环则装在水泵腔体上，轴向端面相互接触。水泵内腔吸、排水时，轴向窜动使端面间产生微小间隙，含有杂质的废水进入间隙，在相对转动中充当摩擦介质。当二者端面的磨损总量超过4mm后，电机电流持续增大，水泵出现上水困难的情况，此时表明零件失效，必须及时更换。平衡盘内藏于平衡套中，水泵一段时间运行后配合面布满泥沙杂物，使平衡盘拆卸困难。如图2.4所示。

图2.3：磨损面与轴向磨损部位

图2.4：包含杂质的拆卸面位置

三、结构优化与应用

由前文可知，一体式平衡盘的作用主要有：（1）提供一个磨损面和磨损余量4mm；（2）在平衡盘安装到泵轴上的预定位置后，平衡盘上的平衡挡套起到限位作用，以保证平衡盘无法轴向位移。平衡装置为内藏式结构不易拆卸，在结构上明显存在设计缺陷，因此对平衡装置结构改进优化是具有十分重要的应用价值。

从实际结构分析，为缩短拆卸装配面，可将一体式平衡盘拆成分体式平衡盘，即平衡盘和平衡挡套的组合结构，如下图3.1所示。分体式平衡盘是将磨损面单独加工成平衡衬环，通过台阶圆和螺丝固定在平衡盘上，这样优化改进的优点是将平衡挡套从平衡盘上分离出来，可大大减小平衡盘和泵轴、平衡套的装配接触面积，避免因杂物堵塞而增加拆卸困难的情况发生。

为分析平衡盘结构优化后在实际拆卸作业情况中所表现的效果，对近一年的一体式平衡盘拆卸情况记录在下表3.1中。从表中可以看出：

（1）拆卸顺利次数仅为2次，拆卸过程经常需要电焊作业，达到11次，占比达55%；（2）其余拆卸作业耗时均在2小时以上，5、6号泵共20次拆卸作业，平均耗时为2.75小时，拆卸过程比较耗费时间。

图3.1：分体式平衡盘装配结构和拆卸结构

表3.1：平衡盘结构优化改进前拆卸记录

再对分体式平衡盘拆卸作业情况进行记录，见下表3.2。从表中可以得出：

（1）拆卸过程仅第1次需要电焊作业，拆卸顺利次数为7次，占比高达77.78%，；（2）仅有2次拆卸作业耗时2小时及以上，其余拆卸作业耗时均在2小时以下，5、6号泵共9次拆卸作业，平均耗时为1.61小时，拆卸过程比较顺利；（3）将表3.1和表3.2对比分析，分体式平衡盘能有效降低拆卸作业耗时，使拆卸过程更加简单，拆卸方法得到了显著优化；（4）此外，分体式平衡盘的平衡衬环磨损量达到要求后，只需单独平衡衬环即可，平衡挡套可以重复多次使用，节约了备件成本。

表3.2：平衡盘结构优化改进后拆卸记录

综上所述，多级离心泵的平衡装置定向结构优化改进可以解决在实际作业中更换平衡盘作业困难、劳动强度大、耗时长、材料备件成本高等问题，实际拆卸作业情况也肯定了本方法具备的可行性，对于解决拆卸作业等实际问题具有良好的工程应用价值。

四、总结

本文对DF280-65*9多级离心泵的平衡装置采用定向结构优化方法，降低了拆卸作业的劳动难度，解决了实际问题。分析实际应用效果可以得出以下结论：

（1）基于多级离心泵的平衡装置定向结构优化改进可以解决在实际作业中更换平衡盘作业困难、劳动强度大、耗时长、材料备件成本高等问题；

（2）优化后的分体式平衡装置，能够保证多级离心泵的正常运行，表明此方法具备可行性，同时优化方法可以在备件厂家中用于实施改进装置结构；

（3）本文所阐述的结构优化方法，可以启发思考井下矿山泵站排水系统中当前存在的不足和一些值得改进的地方，此应用具有十分重要的工程应用价值和借鉴意义。

参考文献

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[6]黄湖,司海涛,李继文.合理选择平衡盘,保证水泵长周期运行[J].内蒙古石油化工,2010,36(03):73.

[1] 唐强武（1988 — ）湖南益阳人，给排水工程师，本科，长期从事井下矿山排水系统的优化与改进工作。