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前言

如果泵轴断裂，大多数泵所有者/操作员似乎会立即责怪制造商。 然而，在大多数情况下，这不是制造商的错。 本文探讨了这个问题及其潜在原因。 虽然其中许多要点专门针对离心泵，但有些要点适用于所有旋转机械，包括汽轮机、压缩机和电动机。

可靠的泵制造商针对正常启动和运行条件设计泵轴，但一些泵制造商针对异常情况具有更高的裕度和安全裕度。 轴断裂的主要原因通常可以追溯到操作和系统原因。

疲劳失效，也称为反向弯曲疲劳与旋转引起的失效，是泵轴断裂/失效的最常见原因。

泵轴设计

轴的用途是将驱动器的旋转运动（速度）和动力（扭矩）传递到泵转子部件——主要是叶轮。 基本轴设计使用扭矩作为主要动力，因为扭矩是最重要的设计元素（速度和功率是扭矩的组成因素）。

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）、预期液压力引起的轴向和径向力、键槽（键槽尺寸、布置及其相关几何形状）、圆角半径、肩圆角、直径变化率、止动环槽等。

此外，关键转子部件（如叶轮和联轴器）的轴向布置以及由此产生的转子动力学（如临界速度）是影响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，其中的设计参数包括它们是为湿式运行还是干式运行而设计的，以及转子刚度的设计。

当轴断裂时，许多泵用户错误地归咎于轴材料的选择，认为他们需要更坚固的轴。 但选择这种“越强越好”的方法，往往只能治标不治本。 轴故障问题的发生频率可能​​会降低，但根本原因仍然存在。

一小部分泵轴由于冶金和制造工艺问题而失效，例如基材中未检测到的孔隙率、不正确的退火和/或其他工艺处理。 有些故障是由于加工不当造成的，例如尺寸不正确、工具阻力、半径太小、脱落和/或研磨和抛光不当。 由于设计余量不足以承受扭矩、疲劳和腐蚀，一小部分也失败了。

另一个可以归咎于制造商或用户的因素是悬臂泵的悬臂量，简称为轴 L/D 比（表示为 L3/D4，其中 L 是距叶轮中心线的轴向距离出口到径向轴承中心的距离，D为轴的直径）。 也称为“长径比”或“轴刚度比”，它表示当泵远离设计点（最佳效率点或 BEP）运行时，由于液压径向力，轴将偏转（弯曲）的程度。

图 1：该 ANSI 泵轴未正确加载皮带和皮带轮布置，导致旋转弯曲故障。 请注意外围的多个（至少 15 个）骨折起源。 轴中部附近较暗的区域是瞬态快速断层带（由作者提供）。

症状管理

看看六种最常用的泵轴材料，就会发现它们在硬度、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同一范围内。 杨氏模量本质上是一种材料的弹性——它在断裂前可以弯曲多少次？ 更重要的是，在超出极限之前，您可以在每个循环中将材料弯曲多远？

杨氏模量不应与强度、韧性或硬度混淆。 由于最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唯一解决方案。 通过解决其他运营因素，最终用户将体验到更高的可靠性。

轴断裂的最常见原因是（旋转）拉伸弯曲疲劳。 这些断裂类型是上述弯曲应力的结果。 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在原位的时间。 失效始于最薄弱的点，通常是圆角、圆角、卡环或键槽。 失效也可能发生在弯矩点。

对于大多数常见的泵轴材料，由弯曲应力引起的断裂与轴中心线成直角 (90°)，因此这些故障看起来几乎就像轴在故障点断裂或被切断一样。

一种不太常见的故障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。 随着变速器的出现，扭转故障也增加了。

泵轴损坏的 10 种可能原因

1) 跑出BEP：跑出泵的BEP允许区域可能是最常见的轴故障原因。 远离 BEP 会产生不平衡的液压径向力。 由于径向力引起的轴偏转（偏转）会产生一个弯曲力，轴每旋转一圈就会产生两次弯曲力。 例如，以 3,550 rpm 转速旋转的轴每分钟将弯曲 7,100 次。 该弯曲力产生轴向拉伸弯曲疲劳。 如果挠度（应变）足够低，大多数轴都可以承受大量循环。

2) 轴弯曲：轴弯曲问题遵循与上述轴挠度相同的逻辑。 从具有高轴直线度标准/规格的制造商处购买泵和备用轴。 尽职调查将是谨慎的。 大多数泵轴跳动要求控制在 0.001 至 0.002 英寸的范围内，以总指示器读数 (TIR) 测量。

3）不平衡的叶轮或转子：不平衡的叶轮会在运行过程中“甩动”轴。 其效果与轴弯曲和/或偏斜相同，即使您停止泵检查轴，轴仍会测得笔直。 可以说，叶轮平衡对于低速泵和高速泵同样重要。 在给定的时间范围内，弯曲循环次数减少，但由于不平衡，位移（应变）的大小仍保持在与较高速度相同的范围内。

4) 流体特性：通常，有关流体特性的问题涉及为一种（较低）粘度流体设计但承受较高粘度的泵。 有一个非常简单的例子，选择并设计泵来泵送 95°F 的 4 号燃油，然后用它泵送 35°F 的燃油（粘度差大约为 235 厘泊）。 比重的增加会导致类似的问题。 另请注意，腐蚀会显着降低轴材料的疲劳强度。 在这些环境中，具有更高耐腐蚀性的轴是不错的选择。

5）变速：转矩与速度成反比。 随着泵速降低，轴扭矩增加。 例如，转速为 875 rpm 的 100 hp 泵需要的扭矩是转速为 1,750 rpm 的 100 hp 泵的两倍。 除了整个轴的最大制动马力 (BHP) 限制外，用户还必须检查泵应用每 100 rpm 允许的 BHP 限制。

6) 使用不当：无视制造商的指南会导致轴出现问题。 如果泵由发动机而不是电动机或汽轮机驱动，则许多泵轴由于间歇扭矩与连续扭矩而具有降额因素。 如果泵不是直接驱动（通过联轴器），例如皮带/皮带轮驱动或链条/链轮驱动，则轴可能会显着降额。 许多自吸式垃圾泵和渣浆泵设计为皮带驱动，因此这不是什么大问题。 按照美国国家标准协会 (ANSI) B73.1 规范制造的泵未设计为皮带驱动（除非使用中间轴）。 ANSI 泵可以是皮带驱动或发动机驱动，但最大允许功率会低得多。 许多泵制造商提供重型轴作为可选附件，当根本原因无法纠正时，它可以解决症状。

7）错位：泵和驱动器之间的错位压力表轴向径向，即使是最轻微的偏差也会引起弯矩。 通常，此问题在轴断裂之前表现为轴承故障。

8) 振动：除了未对准和不平衡之外的问题引起的振动——例如气蚀、叶片通过频率、临界速度和谐波——会给轴带来压力。

9) 组件安装不当：另一个原因是叶轮和联轴器安装不当（配合和间隙不正确，太紧或太松）。 不正确的配合可能会导致磨损。 微动磨损会导致疲劳失效。 键和/或键槽安装不当也会导致此问题。

10) 不正确的 RPM：泵的最大 RPM 取决于叶轮的惯性和皮带传动的速度限制（例如，ANSI 泵的最大皮带速度通常商定为 6,500 英尺/分钟）。 同样，在低速时，除了扭矩增加问题外压力表轴向径向，还有液压阻尼效应（Lomakin效应）损失等考虑因素。

电机和泵轴承温度标准

考虑到 40°C 的环境温度，电机的最高工作温度不能超过 120/130°C。 最高轴承温度为95度。

1、轴承温度标准——水泵轴承温度标准

1. GB3215 4.4.1 泵在工作期间，轴承的最高温度不应超过80℃

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

3、JB/T6439 4.3.3泵在规定工况下运行时，内置轴承外表面温度不应高于输送介质温度20℃，最高温度不应高于 80°C。 外装轴承外表面温升不应高于环境温度40℃。 最高温度不高于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℃，最高温度不得超过75℃

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

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

2、电机轴承温度规定、异常原因及处理

法规规定滚动轴承最高温度不超过95℃，滑动轴承最高温度不超过80℃。 且温升不得超过55℃（温升为试验时轴承温度减去环境温度）；

(1)原因：轴弯曲，中心线不准。 过程; 重新居中。

(2)原因：地脚螺丝松动。 处理方法：拧紧地脚螺丝。

(3)原因：润滑油不干净。 处理方法：更换润滑油。

(4)原因：润滑油使用时间过长，没有更换。 处理方法：清洗轴承，更换润滑油。

(5)原因：轴承内的滚珠或滚子损坏。

处理方法：更换新轴承。 按国标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 40°C 的环境温度，电机的最高工作温度不能超过 120/130°C。 最高轴承温度为95度。 用红外线探测枪测量轴承外表面的温度。 根据经验，4极电机的最高点温度不应超过70℃。 对于电机本体，不需要监控。 电机制造出来后，在正常情况下，其温升基本是固定的，不会随着电机的运行而变化或不断升高。 轴承是易损件，需要进行检测。