泵軸經(jīng)常斷裂原因及溫度標(biāo)準(zhǔn)

如果泵軸斷裂，似乎大多數(shù)泵所有者/操作員會(huì)立即責(zé)怪制造商。然而，在大多數(shù)情況下，這并不是制造商的錯(cuò)。本文探討了這個(gè)問題及其潛在的原因。雖然其中許多要點(diǎn)是離心泵特有的，但也有一些要點(diǎn)適用于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械，包括汽輪機(jī)、壓縮機(jī)和電機(jī)。

可靠的泵制造商根據(jù)正常啟動(dòng)和運(yùn)行工況來設(shè)計(jì)泵軸，但有些泵制造商在異常工況下有更高的裕量和安全裕量。軸斷裂的主要原因通?？梢宰匪莸竭\(yùn)行和系統(tǒng)原因。

疲勞失效，也稱為由于反向彎曲疲勞與旋轉(zhuǎn)引起的失效，是泵軸斷裂/失效的Z常見原因。

泵軸設(shè)計(jì)

軸的作用是將驅(qū)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)速）和動(dòng)力（轉(zhuǎn)矩）傳遞到泵轉(zhuǎn)子部件 - 主要是葉輪?；据S設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)矩作為主要?jiǎng)恿Γ驗(yàn)檗D(zhuǎn)矩是Z重要的設(shè)計(jì)元素（速度和功率是轉(zhuǎn)矩的整因子）。

泵軸設(shè)計(jì)還涉及溫度、腐蝕、冶金、軸承位置、軸承配合尺寸、懸臂部件（葉輪和聯(lián)軸器）、預(yù)期水力引起的軸向力和徑向力、鍵槽（鍵槽大小、布置及其相關(guān)幾何形狀）、圓角半徑、軸肩圓角、直徑變化率以及卡環(huán)槽等。

此外，葉輪和聯(lián)軸器等主要轉(zhuǎn)子零部件的軸向放置位置，以及由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)（如臨界速度），都是軸可靠性的主要因素。

所有良好的初始軸設(shè)計(jì)都包括彎矩圖和模態(tài)分析。本文不涉及高功率多級(jí)泵軸，其中設(shè)計(jì)參數(shù)包括是否設(shè)計(jì)為濕式或干式運(yùn)行以及轉(zhuǎn)子剛度的設(shè)計(jì)。

當(dāng)軸斷裂時(shí)，許多泵用戶錯(cuò)誤地指責(zé)軸的材料選擇，認(rèn)為他們需要更堅(jiān)固的軸。但選擇這種“越強(qiáng)越好”的做法往往治標(biāo)不治本。軸故障問題發(fā)生的頻率可能較低，但根本原因仍然存在。

一小部分泵軸會(huì)因冶金和制造工藝問題而失效，例如基礎(chǔ)材料中未檢測(cè)到的孔隙率、不適當(dāng)?shù)耐嘶鸷?或其它工藝處理。有些故障是由于加工不當(dāng)造成的，例如尺寸不正確、刀具阻力、半徑過小、遺漏和/或研磨和拋光不當(dāng)。還有一小部分由于設(shè)計(jì)裕量不足以承受扭矩、疲勞和腐蝕而失效。

另一個(gè)可以歸咎于制造商或用戶的因素是懸臂泵中的懸臂量，簡(jiǎn)稱為軸的L/D比（表示為L(zhǎng)3/D4，其中 L 是從葉輪出口中心線到徑向軸承中心的軸向距離，D是軸的直徑）。也稱為“長(zhǎng)徑比”或“軸剛度比”，它表示當(dāng)泵在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)（Z佳效率點(diǎn)或 BEP）運(yùn)行時(shí)，軸將因水力徑向力會(huì)偏轉(zhuǎn)（彎曲）多少。

圖1：該ANSI泵軸因皮帶和滑輪布置不正確地加載，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)彎曲故障。注意外圍的多個(gè)（至少15個(gè)）斷裂原點(diǎn)?？拷S中間的較暗區(qū)域是瞬時(shí)快速斷裂帶（由作者提供）。

癥狀處理

查看六種Z常用的泵軸材料，可以發(fā)現(xiàn)硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕性方面的差異。需要注意的一點(diǎn)是，這些材料的楊氏模量幾乎都在相同的范圍內(nèi)。楊氏模量本質(zhì)上是材料的彈性 - 在它斷裂之前，能彎曲多少次？更重要的是，在超過材料的極限之前，每次循環(huán)中將其彎曲多遠(yuǎn)？

楊氏模量不應(yīng)與強(qiáng)度、韌性或硬度混淆。由于Z常見的軸材料都具有相似的楊氏模量，因此更換材料的決定很少是糾正軸故障根本原因的解決方案。通過解決其它運(yùn)行因素，Z終用戶將體驗(yàn)到更高的可靠性。

軸斷裂的Z常見原因是（旋轉(zhuǎn)）拉伸彎曲疲勞。這些斷裂類型是前面提到的彎曲應(yīng)力的結(jié)果。對(duì)于給定的材料，循環(huán)次數(shù)以及在某種程度上，彎曲循環(huán)的周期性（頻率）和距離（應(yīng)變或振幅）將決定軸作為一個(gè)整體保持多長(zhǎng)時(shí)間。故障從Z薄弱點(diǎn)開始，通常是半徑、圓角、卡環(huán)或鍵槽處。故障也可能發(fā)生在彎矩點(diǎn)。

對(duì)于Z常見的泵軸材料，彎曲應(yīng)力引起的斷裂將與軸中心線成直角（90 °），因此這些故障看起來幾乎就像軸在該故障點(diǎn)折斷或被切斷一樣。

一種不太常見的失效模式是扭轉(zhuǎn)應(yīng)力引起的疲勞，其中斷裂發(fā)生在與軸中心線成45 °角的位置。隨著變速裝置的出現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)故障也在增加。

泵軸斷裂的10個(gè)可能原因

1）遠(yuǎn)離BEP運(yùn)行：偏離泵的BEP允許區(qū)域運(yùn)行可能是軸故障的Z常見原因。遠(yuǎn)離BEP的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不平衡的水力徑向力。由于徑向力引起的軸偏轉(zhuǎn)（撓度）會(huì)產(chǎn)生彎曲力，該彎曲力將在軸每轉(zhuǎn)一圈時(shí)發(fā)生兩次。例如，以3,550 rpm旋轉(zhuǎn)的軸每分鐘將彎曲7,100次。這種彎曲力產(chǎn)生了軸拉伸彎曲疲勞。如果偏轉(zhuǎn)的幅度（應(yīng)變）足夠低，大多數(shù)軸可以處理高次數(shù)的循環(huán)。

2）軸彎曲：軸彎曲問題遵循與上述軸偏轉(zhuǎn)相同的邏輯。從對(duì)軸直線度有高標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)格的制造商處購買泵和備用軸。盡職調(diào)查將是謹(jǐn)慎的。泵軸的大多數(shù)跳動(dòng)要求控制在0.001至0.002 英寸范圍內(nèi)，測(cè)量值為總指示器讀數(shù) （TIR）。

3）葉輪或轉(zhuǎn)子不平衡：不平衡的葉輪在運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)軸產(chǎn)生“鞭打?shaft whip）”。效果與軸彎曲和/或偏轉(zhuǎn)相同，即使您停泵對(duì)軸進(jìn)行檢查，軸的測(cè)量結(jié)果會(huì)是直的?？梢哉f，葉輪平衡對(duì)于低速泵和高速泵一樣重要。在給定的時(shí)間范圍內(nèi)，彎曲循環(huán)的次數(shù)減少了，但位移的幅度（應(yīng)變）由于不平衡、保持在與較高的速度相同的范圍內(nèi)。

4）流體性質(zhì)：通常，有關(guān)流體特性的問題涉及設(shè)計(jì)用于一種（較低）粘度但承受較高粘度的流體的泵。有一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子，例如泵被選擇并設(shè)計(jì)用于在 95 °F下泵送 4號(hào)燃料油，然后它被用在 35 °F下泵送燃料油（粘度近似差異為 235 厘泊）。比重的增加也會(huì)導(dǎo)致類似的問題。還要注意，腐蝕會(huì)顯著降低軸材料的疲勞強(qiáng)度。在這些環(huán)境中，具有較高耐腐蝕性的軸是很好的選擇。

5）變速：扭矩與轉(zhuǎn)速成反比。隨著泵轉(zhuǎn)速的降低，軸扭矩增加。例如，在875 rpm時(shí)，100 hp泵所需的扭矩是 1,750 rpm 時(shí) 100 hp泵的兩倍。除了整根軸的Z大制動(dòng)馬力（BHP）限制外，用戶還必須檢查泵應(yīng)用的每 100 rpm 允許的BHP限制。

6）使用不當(dāng)：忽視制造商的指南將導(dǎo)致軸的問題。如果泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而不是由電動(dòng)機(jī)或蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，則由于間歇與連續(xù)扭矩，許多泵軸具有降額系數(shù)。如果泵不是（通過聯(lián)軸器）直接驅(qū)動(dòng)，如皮帶/滑輪驅(qū)動(dòng)或鏈條/鏈輪驅(qū)動(dòng)，則軸可能會(huì)顯著降額。許多自吸垃圾泵和渣漿泵設(shè)計(jì)為皮帶驅(qū)動(dòng)，因此問題不大。根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）B73.1規(guī)范制造的泵不設(shè)計(jì)為皮帶驅(qū)動(dòng)（除非使用中間軸）。ANSI泵可以是皮帶驅(qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，但Z大允許功率會(huì)大大降低。許多泵制造商提供重型軸作為可選的額外部件，當(dāng)根本原因無法糾正時(shí)，這可以解決癥狀。

7）不對(duì)中：泵和驅(qū)動(dòng)機(jī)之間的不對(duì)中，即使是Z輕微的偏差也會(huì)導(dǎo)致彎矩。通常，在軸斷裂之前，此問題表現(xiàn)為軸承失效。

8）振動(dòng)：除不對(duì)中和不平衡以外的問題引起的振動(dòng) - 如汽蝕、葉片通過頻率、臨界轉(zhuǎn)速和諧波 - 會(huì)對(duì)軸造成應(yīng)力。

9）部件安裝不正確：另一個(gè)原因是葉輪和聯(lián)軸器安裝不正確（不正確的配合和間隙，無論是太緊還是太松）。不正確的配合可能會(huì)導(dǎo)致微動(dòng)。微動(dòng)磨損會(huì)導(dǎo)致疲勞失效。不正確安裝的鍵和/或鍵槽也會(huì)導(dǎo)致此問題。

10）轉(zhuǎn)速不當(dāng)：Z大泵轉(zhuǎn)速基于葉輪慣性和皮帶傳動(dòng)的速度限制（例如，ANSI 泵的Z大皮帶速度通常約定為6,500 英尺/分鐘）。此外，在低速運(yùn)行時(shí)，除了扭矩增加問題之外，還有一些注意事項(xiàng)，例如水力阻尼效應(yīng)的喪失（Lomakin效應(yīng)）。

電機(jī)與泵軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)

考慮到環(huán)境溫度40℃的情況，電機(jī)運(yùn)行Z高溫度不能超過120/130℃。軸承溫度Z高允許95度。

一、軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)-泵軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)

1、GB3215  4.4.1 泵工作期間，軸承Z高溫度不超過80℃  

2、JB/T5294  3.2.9.2 軸承溫升不得超過環(huán)境溫度40，Z高溫度不得超過80℃

3、JB/T6439  4.3.3 泵在規(guī)定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)裝式軸承處外表面溫度不應(yīng)高出輸送介質(zhì)溫度20℃，Z高溫度不高于80℃。外裝式軸承處外表面溫升不應(yīng)高處環(huán)境溫度40℃。Z高溫度不高于80℃  

4、JB/T7255  5.15.3 軸承的使用溫度。軸承溫升不得超過環(huán)境溫度35℃，Z高溫度不得超過75℃

5、JB/T7743  7.16.4 軸承溫升不得超過環(huán)境溫度40℃，Z高溫度不得超過80℃

6、JB/T8644  4.14 軸承溫升不得超過環(huán)境溫度35℃，Z高溫度不得超過80℃

二、電機(jī)軸承溫度規(guī)定、出現(xiàn)異常的原因及處理

規(guī)程規(guī)定，滾動(dòng)軸承Z高溫度不超過95℃，滑動(dòng)軸承Z高溫度不超過80℃。并且溫升不超過55℃（溫升為軸承溫度減去測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度）；

(1)原因：軸彎曲，中心線不準(zhǔn)。處理；重新找中心。

(2)原因：基礎(chǔ)螺絲松動(dòng)。處理：擰緊基礎(chǔ)螺絲。

(3)原因：潤(rùn)滑油不干凈。處理：更換潤(rùn)滑油。

(4)原因：潤(rùn)滑油使用時(shí)間過長(zhǎng)，未更換。處理：洗凈軸承，更換潤(rùn)滑油。

(5)原因：軸承中滾珠或滾柱損壞。

處理：更換新軸承。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)級(jí)絕緣B級(jí)考核，電機(jī)溫升控制在80K（電阻法），90K（元件法）。考慮到環(huán)境溫度40℃的情況，電機(jī)運(yùn)行Z高溫度不能超過120/130℃。軸承溫度Z高允許95度。用紅外檢測(cè)槍測(cè)量軸承室外表面的溫度，經(jīng)驗(yàn)上，4極電機(jī)Z高點(diǎn)溫度不能超過70℃。對(duì)于電機(jī)本體，不用監(jiān)測(cè)。電機(jī)制造完成后，一般情況下，他的溫升基本上是固定的，不會(huì)隨著電機(jī)運(yùn)行發(fā)生突變或者不斷增長(zhǎng)。而軸承是易損件，需要檢測(cè)。

（來源：陜西設(shè)備管理）