泵轴经常断裂原因及温度标准

2023-05-12

如果泵轴断裂，似乎大多数泵所有者/操作员会立即责怪制造商。然而，在大多数情况下，这并不是制造商的错。本文探讨了这个问题及其潜在的原因。虽然其中许多要点是离心泵特有的，但也有一些要点适用于所有旋转机械，包括汽轮机、压缩机和电机。

可靠的泵制造商根据正常启动和运行工况来设计泵轴，但有些泵制造商在异常工况下有更高的裕量和安全裕量。轴断裂的主要原因通常可以追溯到运行和系统原因。

疲劳失效，也称为由于反向弯曲疲劳与旋转引起的失效，是泵轴断裂/失效的Z常见原因。

泵轴设计

轴的作用是将驱动机的旋转运动（转速）和动力（转矩）传递到泵转子部件 - 主要是叶轮。基本轴设计将转矩作为主要动力，因为转矩是Z重要的设计元素（速度和功率是转矩的整因子）。

泵轴设计还涉及温度、腐蚀、冶金、轴承位置、轴承配合尺寸、悬臂部件（叶轮和联轴器）、预期水力引起的轴向力和径向力、键槽（键槽大小、布置及其相关几何形状）、圆角半径、轴肩圆角、直径变化率以及卡环槽等。

此外，叶轮和联轴器等主要转子零部件的轴向放置位置，以及由此产生的转子动力学（如临界速度），都是轴可靠性的主要因素。

所有良好的初始轴设计都包括弯矩图和模态分析。本文不涉及高功率多级泵轴，其中设计参数包括是否设计为湿式或干式运行以及转子刚度的设计。

当轴断裂时，许多泵用户错误地指责轴的材料选择，认为他们需要更坚固的轴。但选择这种“越强越好”的做法往往治标不治本。轴故障问题发生的频率可能较低，但根本原因仍然存在。

一小部分泵轴会因冶金和制造工艺问题而失效，例如基础材料中未检测到的孔隙率、不适当的退火和/或其它工艺处理。有些故障是由于加工不当造成的，例如尺寸不正确、刀具阻力、半径过小、遗漏和/或研磨和抛光不当。还有一小部分由于设计裕量不足以承受扭矩、疲劳和腐蚀而失效。

另一个可以归咎于制造商或用户的因素是悬臂泵中的悬臂量，简称为轴的L/D比（表示为L3/D4，其中 L 是从叶轮出口中心线到径向轴承中心的轴向距离，D是轴的直径）。也称为“长径比”或“轴刚度比”，它表示当泵在远离设计点（Z佳效率点或 BEP）运行时，轴将因水力径向力会偏转（弯曲）多少。

图1：该ANSI泵轴因皮带和滑轮布置不正确地加载，导致旋转弯曲故障。注意外围的多个（至少15个）断裂原点。靠近轴中间的较暗区域是瞬时快速断裂带（由作者提供）。

症状处理

查看六种Z常用的泵轴材料，可以发现硬度、强度和耐腐蚀性方面的差异。需要注意的一点是，这些材料的杨氏模量几乎都在相同的范围内。杨氏模量本质上是材料的弹性 - 在它断裂之前，能弯曲多少次？更重要的是，在超过材料的极限之前，每次循环中将其弯曲多远？

杨氏模量不应与强度、韧性或硬度混淆。由于Z常见的轴材料都具有相似的杨氏模量，因此更换材料的决定很少是纠正轴故障根本原因的解决方案。通过解决其它运行因素，Z终用户将体验到更高的可靠性。

轴断裂的Z常见原因是（旋转）拉伸弯曲疲劳。这些断裂类型是前面提到的弯曲应力的结果。对于给定的材料，循环次数以及在某种程度上，弯曲循环的周期性（频率）和距离（应变或振幅）将决定轴作为一个整体保持多长时间。故障从Z薄弱点开始，通常是半径、圆角、卡环或键槽处。故障也可能发生在弯矩点。

对于Z常见的泵轴材料，弯曲应力引起的断裂将与轴中心线成直角（90 °），因此这些故障看起来几乎就像轴在该故障点折断或被切断一样。

一种不太常见的失效模式是扭转应力引起的疲劳，其中断裂发生在与轴中心线成45 °角的位置。随着变速装置的出现，扭转故障也在增加。

泵轴断裂的10个可能原因

1）远离BEP运行：偏离泵的BEP允许区域运行可能是轴故障的Z常见原因。远离BEP的运行会产生不平衡的水力径向力。由于径向力引起的轴偏转（挠度）会产生弯曲力，该弯曲力将在轴每转一圈时发生两次。例如，以3,550 rpm旋转的轴每分钟将弯曲7,100次。这种弯曲力产生了轴拉伸弯曲疲劳。如果偏转的幅度（应变）足够低，大多数轴可以处理高次数的循环。

2）轴弯曲：轴弯曲问题遵循与上述轴偏转相同的逻辑。从对轴直线度有高标准/规格的制造商处购买泵和备用轴。尽职调查将是谨慎的。泵轴的大多数跳动要求控制在0.001至0.002 英寸范围内，测量值为总指示器读数（TIR）。

3）叶轮或转子不平衡：不平衡的叶轮在运行时会对轴产生“鞭打?shaft whip）”。效果与轴弯曲和/或偏转相同，即使您停泵对轴进行检查，轴的测量结果会是直的。可以说，叶轮平衡对于低速泵和高速泵一样重要。在给定的时间范围内，弯曲循环的次数减少了，但位移的幅度（应变）由于不平衡、保持在与较高的速度相同的范围内。

4）流体性质：通常，有关流体特性的问题涉及设计用于一种（较低）粘度但承受较高粘度的流体的泵。有一个很简单的例子，例如泵被选择并设计用于在 95 °F下泵送 4号燃料油，然后它被用在 35 °F下泵送燃料油（粘度近似差异为 235 厘泊）。比重的增加也会导致类似的问题。还要注意，腐蚀会显著降低轴材料的疲劳强度。在这些环境中，具有较高耐腐蚀性的轴是很好的选择。

5）变速：扭矩与转速成反比。随着泵转速的降低，轴扭矩增加。例如，在875 rpm时，100 hp泵所需的扭矩是 1,750 rpm 时 100 hp泵的两倍。除了整根轴的Z大制动马力（BHP）限制外，用户还必须检查泵应用的每 100 rpm 允许的BHP限制。

6）使用不当：忽视制造商的指南将导致轴的问题。如果泵由发动机驱动而不是由电动机或蒸汽轮机驱动，则由于间歇与连续扭矩，许多泵轴具有降额系数。如果泵不是（通过联轴器）直接驱动，如皮带/滑轮驱动或链条/链轮驱动，则轴可能会显著降额。许多自吸垃圾泵和渣浆泵设计为皮带驱动，因此问题不大。根据美国国家标准协会（ANSI）B73.1规范制造的泵不设计为皮带驱动（除非使用中间轴）。ANSI泵可以是皮带驱动或发动机驱动的，但Z大允许功率会大大降低。许多泵制造商提供重型轴作为可选的额外部件，当根本原因无法纠正时，这可以解决症状。

7）不对中：泵和驱动机之间的不对中，即使是Z轻微的偏差也会导致弯矩。通常，在轴断裂之前，此问题表现为轴承失效。

8）振动：除不对中和不平衡以外的问题引起的振动 - 如汽蚀、叶片通过频率、临界转速和谐波 - 会对轴造成应力。

9）部件安装不正确：另一个原因是叶轮和联轴器安装不正确（不正确的配合和间隙，无论是太紧还是太松）。不正确的配合可能会导致微动。微动磨损会导致疲劳失效。不正确安装的键和/或键槽也会导致此问题。

10）转速不当：Z大泵转速基于叶轮惯性和皮带传动的速度限制（例如，ANSI 泵的Z大皮带速度通常约定为6,500 英尺/分钟）。此外，在低速运行时，除了扭矩增加问题之外，还有一些注意事项，例如水力阻尼效应的丧失（Lomakin效应）。

电机与泵轴承温度标准

考虑到环境温度40℃的情况，电机运行Z高温度不能超过120/130℃。轴承温度Z高允许95度。

一、轴承温度标准-泵轴承温度标准

1、GB3215 4.4.1 泵工作期间，轴承Z高温度不超过80℃

2、JB/T5294 3.2.9.2 轴承温升不得超过环境温度40，Z高温度不得超过80℃

3、JB/T6439 4.3.3 泵在规定工况下运转时，内装式轴承处外表面温度不应高出输送介质温度20℃，Z高温度不高于80℃。外装式轴承处外表面温升不应高处环境温度40℃。Z高温度不高于80℃

4、JB/T7255 5.15.3 轴承的使用温度。轴承温升不得超过环境温度35℃，Z高温度不得超过75℃

5、JB/T7743 7.16.4 轴承温升不得超过环境温度40℃，Z高温度不得超过80℃

6、JB/T8644 4.14 轴承温升不得超过环境温度35℃，Z高温度不得超过80℃

二、电机轴承温度规定、出现异常的原因及处理

规程规定，滚动轴承Z高温度不超过95℃，滑动轴承Z高温度不超过80℃。并且温升不超过55℃（温升为轴承温度减去测试时的环境温度）；

(1)原因：轴弯曲，中心线不准。处理；重新找中心。

(2)原因：基础螺丝松动。处理：拧紧基础螺丝。

(3)原因：润滑油不干净。处理：更换润滑油。

(4)原因：润滑油使用时间过长，未更换。处理：洗净轴承，更换润滑油。

(5)原因：轴承中滚珠或滚柱损坏。

处理：更换新轴承。按照国家标准，F级绝缘B级考核，电机温升控制在80K（电阻法），90K（元件法）。考虑到环境温度40℃的情况，电机运行Z高温度不能超过120/130℃。轴承温度Z高允许95度。用红外检测枪测量轴承室外表面的温度，经验上，4极电机Z高点温度不能超过70℃。对于电机本体，不用监测。电机制造完成后，一般情况下，他的温升基本上是固定的，不会随着电机运行发生突变或者不断增长。而轴承是易损件，需要检测。