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为什么离心泵轴总是断裂？如何解决？

时间：2023-12-04 来源： 浏览：

为什么离心泵轴总是断裂？如何解决？

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如果泵轴断裂，大多数泵所有者会立即从制造商找原因。然而，在大多数情况下，这不是制造商的错。本文探讨了该问题和潜在原因。
可靠的泵制造商根据正常启动和运行因素设计离心泵轴，但有些泵制造商在异常条件下的安全余量更高。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（也称为旋转反向弯曲疲劳引起的失效）是泵轴断裂/失效的最常见原因。

一，泵轴设计对轴断裂的影响

泵轴的目的是将旋转运动和功率（扭矩）从驱动设备传递到叶轮。
  • 泵轴设计将扭矩作为主要参数，扭矩是最重要的设计元素（速度和功率是扭矩的积分因素）。
  • 泵轴设计还涉及温度、腐蚀、冶金、轴承位置、轴承尺寸、悬臂部件、预期的轴向和径向力、键槽、圆角半径、轴肩、直径变化比以及其他部件。
  • 此外，叶轮和联轴器等主要轴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）是泵轴可靠性的主要因素。
  • 所有好的初始泵轴 设计还都包括弯矩图和模态分析。
许多离心泵用户在泵轴断裂时，会错误地责怪泵轴材料选择，认为他们需要更坚固的轴。但选择这种“更强”的道路往往治标不治本。轴故障问题可能不那么频繁地发生，但根本原因仍然存在。
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 未检测到的 孔 隙率 、退火不当和 / 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、刀具阻力、半径尖锐、研磨 和抛光不当。 更小的部件由于设计余量不足而失效，无法承受扭矩、疲劳和腐蚀。
另一个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是从叶轮中心线到径向轴承中心的轴向距离，D是泵轴的直径）。它表示当泵在远离最佳效率点BEP运行时，泵轴会因径向液压力而偏转（弯曲）的程度。
图1：泵轴被不正确地加载，导致旋转弯曲故障
请注意图1：泵轴外围的多个（最少15个）断裂原点。 靠近泵轴中间的较暗区 域是瞬时快速断裂区。

二，治标不治本的解决方案

查看最常用的泵轴材料，可以发现硬度、强度和耐腐蚀性的差异。但我们如果仔细观察可以发现这样一点：这些材料的 杨氏模量 几乎在同一范围。
杨氏模量本质上是材料的弹性——在泵轴断裂之前，可以弯曲多少次？在超过材料极限之前，可以在每个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。 由于最常见的泵轴材料都具有相似的杨氏模量，因此更换材料很少是纠正泵轴失效根本原因的解决方案。
泵轴断裂的最常见原因是旋转拉伸和弯曲疲劳。对于给定的泵轴材料，疲劳循环次数以及在某种程度上弯曲循环的周期性和幅度将决定泵轴作为一个整体能运行多长时间。故障将从最薄弱点开始，通常是小半径、倒角或键槽处，当然故障也可能发生在弯矩点。
对于最常见的泵轴材料， 弯曲应力 引起的断裂 将与轴中心线成直角，因此这些故障看起来几乎就像泵轴在该故障点折断或切断一样（图1）。
不太常见的失效模式是 扭转应力 引起的断裂 ，其断裂发生在与轴中心线成 45 度角处。随着变速装置的出现，扭转故障有所增加。

三，泵轴断裂的10个可能原因

1，远离BEP运行：

偏离BEP区域运行是泵轴故障的最常见原因 。远离BEP的运行会产生过大的径向力。由于径向力引起的轴偏转会产生弯曲力，每次泵轴旋转将发生两次弯曲，这种弯曲会产生轴拉伸弯曲疲劳。如果挠度的幅度足够低，大多数泵轴可以应对大量的循环。

2，弯曲的泵轴：

弯曲轴问题遵循与上述偏转轴相同的逻辑。从高标准/规格的制造商处购买泵和备用轴。泵轴的大多数公差在 0.001 至 0.002 英寸范围内。

3，不平衡叶轮或转子：

不平衡叶轮在运行时会产生“轴搅动”。效果与轴弯曲和/或偏转相同，即使停泵检查，泵轴也会满足要求。可以说，平衡叶轮对于低速泵和 高速泵 一样重要。

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。一个简单的例子，例如选择的泵用于在 35℃下泵送 4 号燃料油，然后再用于在 0℃下泵送燃料油（近似差异为235Cst）。泵送液体比重的增加也会导致类似的问题。

另请注意，腐蚀会显著降低泵轴材料的疲劳强度。

5，变速运行：

扭矩和速度成反比。随着泵减速，泵轴扭矩增加。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。除了整个轴的最大制动马力 (BHP)限制外，用户还必须检查泵应用的每100 rpm转速变化允许的(BHP)限制。

6，误用：忽视制造商指南将导致泵轴问题。
  • 如果由于间歇与连续扭矩，泵由发动机驱动而不是电动机或蒸汽轮机驱动，则许多泵轴具有降额系数。
  •  如果泵不是通过联轴器直接驱动，例如皮带/皮带轮，链条/链轮驱动，则泵轴可能会显著降额。
  • 许多自吸泵设计为皮带驱动，因此几乎没有上述问题。但是按照ANSI B73.1规范制造的离心泵设计的不是皮带驱动，采用皮带驱动时，最大允许马力会大大降低。
7，不对中：

泵和驱动设备之间的不对中，即使是最轻微的偏差也会导致弯矩。 通常，此问题表现为轴承在泵轴断裂之前失效。

8，振动：

除不对中和不平衡以外的问题（如：气蚀、通过叶片频率等）引起的振动会对泵轴造成应力。

9，部件安装不正确：

比如叶轮和联轴器在轴上的安装不正确，不正确的配合可能会导致蠕动。蠕动磨损会导致疲劳失效。

10，速度不当：

最大泵速基于叶轮惯性和皮带传动的（外围）速度限制。此外，除了扭矩增加问题之外，还有低速运行的注意事项，例如：流体阻尼效果的丧失（Lomakin 效应）。

END

来源：公开信息

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