離心泵軸總是斷裂是什么原因
作者：離心泵 來(lái)源：泵軸 發(fā)布時(shí)間：2023-11-24
如果泵軸斷裂，大多數(shù)泵所有者會(huì)立即從制造商找原因。然而，在大多數(shù)情況下，這不是制造商的錯(cuò)。本文探討了該問(wèn)題和潛在原因。
可靠的泵制造商根據(jù)正常啟動(dòng)和運(yùn)行因素設(shè)計(jì)離心泵軸，但有些泵制造商在異常條件下的安全余量更高。軸斷裂的主要原因通常可以追溯到操作和系統(tǒng)原因。
疲勞失效（也稱為旋轉(zhuǎn)反向彎曲疲勞引起的失效）是泵軸斷裂/失效的常見(jiàn)原因。
一，泵軸設(shè)計(jì)對(duì)軸斷裂的影響
泵軸的目的是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和功率（扭矩）從驅(qū)動(dòng)設(shè)備傳遞到葉輪。
泵軸設(shè)計(jì)將扭矩作為主要參數(shù)，扭矩是重要的設(shè)計(jì)元素（速度和功率是扭矩的積分因素）。
泵軸設(shè)計(jì)還涉及溫度、腐蝕、冶金、軸承位置、軸承尺寸、懸臂部件、預(yù)期的軸向和徑向力、鍵槽、圓角半徑、軸肩、直徑變化比以及其他部件。
此外，葉輪和聯(lián)軸器等主要軸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）是泵軸可靠性的主要因素。
所有好的初始泵軸設(shè)計(jì)還都包括彎矩圖和模態(tài)分析。
許多離心泵用戶在泵軸斷裂時(shí)，會(huì)錯(cuò)誤地責(zé)怪泵軸材料選擇，認(rèn)為他們需要更堅(jiān)固的軸。但選擇這種“更強(qiáng)”的道路往往治標(biāo)不治本。軸故障問(wèn)題可能不那么頻繁地發(fā)生，但根本原因仍然存在。
小部分泵軸會(huì)因冶金和制造工藝問(wèn)題而失效，例如：基礎(chǔ)材料未檢測(cè)到的孔隙率、退火不當(dāng)和/或其他工藝處理。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、半徑尖銳、研磨和拋光不當(dāng)。更小的部件由于設(shè)計(jì)余量不足而失效，無(wú)法承受扭矩、疲勞和腐蝕。
另一個(gè)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是從葉輪中心線到徑向軸承中心的軸向距離，D是泵軸的直徑）。它表示當(dāng)泵在遠(yuǎn)離效率點(diǎn)BEP運(yùn)行時(shí)，泵軸會(huì)因徑向液壓力而偏轉(zhuǎn)（彎曲）的程度。
：泵軸被不正確地加載，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)彎曲故障
：泵軸外圍的多個(gè)（少15個(gè)）斷裂原點(diǎn)。靠近泵軸中間的較暗區(qū)域是瞬時(shí)快速斷裂區(qū)。
二，治標(biāo)不治本的解決方案
查看常用的泵軸材料，可以發(fā)現(xiàn)硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕性的差異。但我們?nèi)绻屑?xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)這樣一點(diǎn)：這些材料的楊氏模量幾乎在同一范圍。
楊氏模量本質(zhì)上是材料的彈性——在泵軸斷裂之前，可以彎曲多少次？在超過(guò)材料極限之前，可以在每個(gè)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(jiàn)的泵軸材料都具有相似的楊氏模量，因此更換材料很少是糾正泵軸失效根本原因的解決方案。
泵軸斷裂的常見(jiàn)原因是旋轉(zhuǎn)拉伸和彎曲疲勞。對(duì)于給定的泵軸材料，疲勞循環(huán)次數(shù)以及在某種程度上彎曲循環(huán)的周期性和幅度將決定泵軸作為一個(gè)整體能運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。故障將從薄弱點(diǎn)開(kāi)始，通常是小半徑、倒角或鍵槽處，當(dāng)然故障也可能發(fā)生在彎矩點(diǎn)。
對(duì)于常見(jiàn)的泵軸材料，彎曲應(yīng)力引起的斷裂將與軸中心線成直角，因此這些故障看起來(lái)幾乎就像泵軸在該故障點(diǎn)折斷或切斷一樣。
不太常見(jiàn)的失效模式是扭轉(zhuǎn)應(yīng)力引起的斷裂，其斷裂發(fā)生在與軸中心線成 45 度角處。隨著變速裝置的出現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)故障有所增加。
三，泵軸斷裂的10個(gè)可能原因
1，遠(yuǎn)離BEP運(yùn)行：
偏離BEP區(qū)域運(yùn)行是泵軸故障的常見(jiàn)原因。遠(yuǎn)離BEP的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的徑向力。由于徑向力引起的軸偏轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生彎曲力，每次泵軸旋轉(zhuǎn)將發(fā)生兩次彎曲，這種彎曲會(huì)產(chǎn)生軸拉伸彎曲疲勞。如果撓度的幅度足夠低，大多數(shù)泵軸可以應(yīng)對(duì)大量的循環(huán)。
2，彎曲的泵軸：
彎曲軸問(wèn)題遵循與上述偏轉(zhuǎn)軸相同的邏輯。從高標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)格的制造商處購(gòu)買泵和備用軸。泵軸的大多數(shù)公差在 0.001 至 0.002 英寸范圍內(nèi)。
3，誤用：忽視制造商指南將導(dǎo)致泵軸問(wèn)題。
如果由于間歇與連續(xù)扭矩，泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而不是電動(dòng)機(jī)或蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，則許多泵軸具有降額系數(shù)。
如果泵不是通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)，例如皮帶/皮帶輪，鏈條/鏈輪驅(qū)動(dòng)，則泵軸可能會(huì)顯著降額。
許多自吸泵設(shè)計(jì)為皮帶驅(qū)動(dòng)，因此幾乎沒(méi)有上述問(wèn)題。但是按照ANSI B73.1規(guī)范制造的離心泵設(shè)計(jì)的不是皮帶驅(qū)動(dòng)，采用皮帶驅(qū)動(dòng)時(shí)，允許馬力會(huì)大大降低。
4，部件安裝不正確：
比如葉輪和聯(lián)軸器在軸上的安裝不正確，不正確的配合可能會(huì)導(dǎo)致蠕動(dòng)。蠕動(dòng)磨損會(huì)導(dǎo)致疲勞失效。
5，速度不當(dāng)：
泵速基于葉輪慣性和皮帶傳動(dòng)的（外圍）速度限制。此外，除了扭矩增加問(wèn)題之外，還有低速運(yùn)行的注意事項(xiàng)，例如：流體阻尼效果的喪失（Lomakin 效應(yīng)）。
6，不平衡葉輪或轉(zhuǎn)子：
不平衡葉輪在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生“軸攪動(dòng)”。效果與軸彎曲和/或偏轉(zhuǎn)相同，即使停泵檢查，泵軸也會(huì)滿足要求。可以說(shuō)，平衡葉輪對(duì)于低速泵和高速泵一樣重要。
7，不對(duì)中：
泵和驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間的不對(duì)中，即使是輕微的偏差也會(huì)導(dǎo)致彎矩。通常，此問(wèn)題表現(xiàn)為軸承在泵軸斷裂之前失效。
8，振動(dòng)：
除不對(duì)中和不平衡以外的問(wèn)題（如：氣蝕、通過(guò)葉片頻率等）引起的振動(dòng)會(huì)對(duì)泵軸造成應(yīng)力。
9，流體性質(zhì)：
通常有關(guān)流體特性的問(wèn)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。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，例如選擇的泵用于在 35℃下泵送 4 號(hào)燃料油，然后再用于在 0℃下泵送燃料油（近似差異為235Cst）。泵送液體比重的增加也會(huì)導(dǎo)致類似的問(wèn)題。
另請(qǐng)注意，腐蝕會(huì)顯著降低泵軸材料的疲勞強(qiáng)度。
10，變速運(yùn)行：
扭矩和速度成反比。隨著泵減速，泵軸扭矩增加。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。除了整個(gè)軸的大制動(dòng)馬力 (BHP)限制外，用戶還必須檢查泵應(yīng)用的每100 rpm轉(zhuǎn)速變化允許的(BHP)限制。
