前言

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?，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩是重要的設(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，簡稱為軸的L/D比（表示為L3/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“長徑比”或“軸剛度比”，它表示當(dāng)泵在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)（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)。靠近軸中間的較暗區(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一解決方案。通過解決其它運(yùn)行因素，終用戶將體驗(yàn)到更高的可靠性。

軸斷裂的常見原因是（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)整體保持多長時(shí)間。故障從薄弱點(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)：關(guān)于牛頓流體與非牛頓流體的討論，《泵沙龍》中有所介紹。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