泵軸經(jīng)常斷裂原因及溫度標(biāo)準(zhǔn)
2023-05-12如果泵軸斷裂,，似乎大多數(shù)泵所有者/操作員會立即責(zé)怪制造商。然而,，在大多數(shù)情況下,，這并不是制造商的錯。本文探討了這個問題及其潛在的原因,。雖然其中許多要點是離心泵特有的,，但也有一些要點適用于所有旋轉(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)正常啟動和運行工況來設(shè)計泵軸，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\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
軸的作用是將驅(qū)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動（轉(zhuǎn)速）和動力（轉(zhuǎn)矩）傳遞到泵轉(zhuǎn)子部件 - 主要是葉輪,?；据S設(shè)計將轉(zhuǎn)矩作為主要動力，因為轉(zhuǎn)矩是Z重要的設(shè)計元素（速度和功率是轉(zhuǎn)矩的整因子）,。
泵軸設(shè)計還涉及溫度,、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)計都包括彎矩圖和模態(tài)分析,。本文不涉及高功率多級泵軸，其中設(shè)計參數(shù)包括是否設(shè)計為濕式或干式運行以及轉(zhuǎn)子剛度的設(shè)計,。
當(dāng)軸斷裂時,，許多泵用戶錯誤地指責(zé)軸的材料選擇，認(rèn)為他們需要更堅固的軸,。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,。
一小部分泵軸會因冶金和制造工藝問題而失效，例如基礎(chǔ)材料中未檢測到的孔隙率,、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)計裕量不足以承受扭矩,、疲勞和腐蝕而失效。
另一個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)計點（Z佳效率點或 BEP）運行時，軸將因水力徑向力會偏轉(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（至少15個）斷裂原點,?？拷S中間的較暗區(qū)域是瞬時快速斷裂帶（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,。通過解決其它運行因素,，Z終用戶將體驗到更高的可靠性。
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）將決定軸作為一個整體保持多長時間,。故障從Z薄弱點開始，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,。
對于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個可能原因
1）遠(yuǎn)離BEP運行：偏離泵的BEP允許區(qū)域運行可能是軸故障的Z常見原因。遠(yuǎn)離BEP的運行會產(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）會產(chǎn)生彎曲力,，該彎曲力將在軸每轉(zhuǎn)一圈時發(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)跳動要求控制在0.001至0.002 英寸范圍內(nèi),，測量值為總指示器讀數(shù) （TIR）。
3）葉輪或轉(zhuǎn)子不平衡：不平衡的葉輪在運行時會對軸產(chǎn)生“鞭打?shaft whip）”,。效果與軸彎曲和/或偏轉(zhuǎn)相同,，即使您停泵對軸進(jìn)行檢查，軸的測量結(jié)果會是直的,?？梢哉f，葉輪平衡對于低速泵和高速泵一樣重要,。在給定的時間范圍內(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)計用于一種（較低）粘度但承受較高粘度的流體的泵,。有一個很簡單的例子,，例如泵被選擇并設(shè)計用于在 95 °F下泵送 4號燃料油，然后它被用在 35 °F下泵送燃料油（粘度近似差異為 235 厘泊）,。比重的增加也會導(dǎo)致類似的問題。還要注意,，腐蝕會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，100 hp泵所需的扭矩是 1,750 rpm 時 100 hp泵的兩倍,。除了整根軸的Z大制動馬力（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)動機(jī)驅(qū)動而不是由電動機(jī)或蒸汽輪機(jī)驅(qū)動,，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,，如皮帶/滑輪驅(qū)動或鏈條/鏈輪驅(qū)動，則軸可能會顯著降額,。許多自吸垃圾泵和渣漿泵設(shè)計為皮帶驅(qū)動,，因此問題不大,。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）B73.1規(guī)范制造的泵不設(shè)計為皮帶驅(qū)動（除非使用中間軸）。ANSI泵可以是皮帶驅(qū)動或發(fā)動機(jī)驅(qū)動的,，但Z大允許功率會大大降低,。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,，這可以解決癥狀,。
7）不對中：泵和驅(qū)動機(jī)之間的不對中，即使是Z輕微的偏差也會導(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：除不對中和不平衡以外的問題引起的振動 - 如汽蝕,、葉片通過頻率、臨界轉(zhuǎn)速和諧波 - 會對軸造成應(yīng)力,。
9）部件安裝不正確：另一個原因是葉輪和聯(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導(dǎo)致微動,。微動磨損會導(dǎo)致疲勞失效,。不正確安裝的鍵和/或鍵槽也會導(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，在低速運行時,，除了扭矩增加問題之外,，還有一些注意事項，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)定工況下運轉(zhuǎn)時,，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,，滾動軸承Z高溫度不超過95℃，滑動軸承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試時的環(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,。處理：擰緊基礎(chǔ)螺絲,。
(3)原因：潤滑油不干凈。處理：更換潤滑油,。
(4)原因：潤滑油使用時間過長,，未更換。處理：洗凈軸承,，更換潤滑油。
(5)原因：軸承中滾珠或滾柱損壞,。
處理：更換新軸承,。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)級絕緣B級考核,，電機(jī)溫升控制在80K（電阻法）,，90K（元件法）?？紤]到環(huán)境溫度40℃的情況,，電機(jī)運行Z高溫度不能超過120/130℃。軸承溫度Z高允許95度,。用紅外檢測槍測量軸承室外表面的溫度,，經(jīng)驗上，4極電機(jī)Z高點溫度不能超過70℃,。對于電機(jī)本體,，不用監(jiān)測,。電機(jī)制造完成后，一般情況下,，他的溫升基本上是固定的,，不會隨著電機(jī)運行發(fā)生突變或者不斷增長。而軸承是易損件,，需要檢測,。
（來源：陜西設(shè)備管理）