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精密制造的工业泵维护成本高的原因分析

日期:2020-11-12 15:02 作者:波音正网

  精密制造的工业泵通常采用先进的密封件和轴承,但是它们的性能往往还不及普通的汽车散热水泵。为什么会这样?

  众所周知,汽车散热器上安装的水泵能够无泄漏、无故障地工作18到20年。这是一种变速离心泵,它由冲压成形零件和非精密加工的平衡零件制造而成。这类泵中安装的机械密封和轴承由滚烫的散热器废水来润滑。

  家用冰箱中的压缩机能够日夜不停地连续工作20到25年,既不会泄露制冷剂,也不会出现莫名的轴承损坏问题。如果一台新冰箱的售价为1000欧元,那么压缩机上的机械密封和轴承在总成本中大约仅占20到30欧元。那么工业泵的问题到底是什么呢?工业机械密封和滚子轴承的售价高达数千欧元。为什么我们的冷却水循环泵或者冷却塔水泵不能像家用设备那样无故障地运行呢?为什么那么多工业泵都需要进行大量的维修工作呢?

  原因很简单。大量的工业泵与它们的系统不匹配。系统是指与泵相连的管道、弯管、阀门、辅助元件和配件的总称(图1)。管道系统主宰了泵。泵受制于管道系统。所以,大多数泵问题的根源是管道和配件。泵送系统对流量和扬程都有相应的要求。我们将从这两方面进行探讨,首先从流量开始分析。

  流量是市场。流量决定生产。自我开始解决泵难题的第一天起,我就明白了“流量是市场”这一道理。下面我详细解释。

  市场营销人员决定他们能够在某种消费品的销售市场上占据多少份额,例如啤酒、石油。番茄汁、牙膏、洗衣精、胶水、涂料、咳嗽糖浆、法国自流井水,以及你所能想到的一切产品。营销、财务和生产部门的主管共同商议后决定生产该产品。

  生产工程师认为如果能够以每分钟2500升(或者150 m3/h)的流量来制造和包装产品,那么就可以占据该产品的主要市场。所以,制造过程需要一台输送流量为150 m3/h的泵。这就是我说流量是市场的原因。

  扬程是管道系统内的能量。能量的单位用扬程米数来表示。扬程体现了管道系统的特点和设计。扬程表示利用工艺设备、管道、弯管、阀门以及其他设施来对液体进行传输、提升、加热、加压、过滤、拉伸,测量和灌装等操作时所需的能量。

  如果使液体在管道系统内流动要消耗12米高的能量(扬程),那么我们就需要一台能够在流量为150 m3/h的工作条件下产生或者克服12米高阻力的水泵。我们还希望泵性能曲线图中的最佳效率点正好对应或者接近150 m3/h(流量)和12米(扬程)这两项参数值。

  流量(150m3/h)很容易理解。扬程(12米)容易把人弄糊涂,需要认线米高的系统扬程被称为总扬程(TH)。专业人士使用术语TDH,表示总动扬程。总扬程或者TDH包含了相加在一起的4个因素。

  Hs是静扬程,表示以米为单位的高差。你或许知道水会聚集在所有矿井底部。必须将这些水抽走以防矿井被淹。如果矿井底板的深度为500米,那么我们要求水泵至少具有500米高的静扬程,以便能将水泵送至矿井顶部,然后使其排入江河湖泊。通过观察系统以及注意高度的变化,就能得到这段以米为单位的距离,即Hs。

  Hp是压力扬程或者系统两端的压差。假设吸水管闭合、密封,受压200kPa。排水管受压350kPa。那么系统两端存在150kPa的压差。水泵必须产生额外的150kPa能量,以便克服该压差。

  但是,如果吸水管和排水管承受相同大小的压力(不高是高压、大气压力还是真空),那么就不存在压差,无需考虑Hp。如果有压差,我们一般可以通过观察吸水管和排水管上的压力计发现压差的存在。我们习惯将压差(150kPa)转换成以米为单位表示的Hp值。如果液体不是水,我们将Hp乘以一个系数,即液体的比重或者相对密度。

  Hv是流速扬程。要使液体以一定的流速在管道内流动,同时保持该流速,那么需要消耗额外的能量,在设计泵时必须考虑到这一点。为了确定该能量,我们需要知道液体流过管道的流速(m/s),以及重力加速度(9.8 m/s2)。因为重力加速度是一个常量,所以Hv随液体流速的变化而上升或下降。大部分泵设计工程师在规定管道时常采用1.5-2.0m/s的液体流速。除非有充分的理由证明液体确实需要以高流速流过管道,否则宜采用较低的流速。

  最后一点是摩擦损失,称为Hf,它是指液体和管道、阀门以及配件的内表面之间的摩擦。泵还必须用更多的能量来克服这种摩擦。摩擦能量也被转换成以米为单位表示的Hf值。

  流速扬程(Hv)和摩擦扬程(Hf)同时存在,只有当液体流动时,这些扬程值才存在。如果流速为零,则摩擦为零。所以,有些人士将Hv和Hf合起来共称为阻力。只需记住阻力包含两个要素。

  再重复一遍,TDH = Hs + Hp + Hv + Hf。我们考虑这样一个系统,我们必须将一个通气管或者水罐内的水以120 m3/h的流量向上泵送15米高,使其到达另一个通气管。所以,Hs为15米。

  抽吸罐和排水罐都通向大气压。所以没有压差,Hp为零。水在管道内的流速为1.6m/s。乘以重力加速度系数,计算得到Hv为0.26米。我们把竖直和水平管道的米数相加,再加上弯管、阀门、配件和其他辅助装置的米数。我们查询有关图表,并乘以相应的系数和常量,计算得到Hf为2.7米。

  所以我们需要一台TDH为17.96米 (15 + 0 + 0.26 + 2.7)的水泵。我们所选用的泵应该符合的条件是,其最佳效率点应尽可能地接近扬程18米和流量120 m3/h这两项参数。

  在对合适的泵进行比较和采购时,明智的作法是针对应用选择效率最高的泵,哪怕它的价格更高一些。效率与每月的能耗和维护成本密切相关。不过这是另一篇文章讨论的主题。

  使泵与系统相匹配其实非常简单。当选用了正确的泵时,它将顺畅地运转很多年,既不会出现莫名的振动,也不会发生失控的密封和轴承故障。

  你可能还记得我在本文开篇引用过的两个例子,汽车的散热器水泵和家用冰箱压缩机。散热器水泵的主轴上装有轴承和机械密封件。冰箱压缩机也有这两种零件。这些设备上的密封件和轴承肯定不如你日常见到的工业化工泵中安装的精密机械密封和滚子轴承那么高档、先进。冰箱压缩机和汽车水泵之所以能够无故障地工作很多年,就是因为这些设备与它们的系统实现了完美地匹配。

  作为泵业咨询顾问,我常常会去观察一些流程设备,它们的泵修理成本超过了全部维修预算。我发现那些泵每年要消耗三、四套轴承和密封件,而且在维修车间浪费了太多的时间。可靠性工程师感觉这是遇到了轴承问题,或者振动或维护问题。他试图用带有数字显示仪的昂贵的电池供电器件来解决该问题。其实问题的根源往往并不复杂,仅仅是因为泵与系统不匹配。这种不匹配导致各种现象发生,例如莫名的振动,过热、汽蚀、未对准,密封件老化和轴承故障,这样就使得泵的维护成本陡然上涨。

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