如果泵軸斷裂，似乎大多數泵(bèng)所有者/操作員會立即責(zé)怪制造商。然而，在大多數情況下，這并不是制造商的錯。本文探讨了這個問(wèn)題及其潛在的原因。雖然其(qí)中許多(duō)要點(diǎn)是離心泵特有的，但也有一些要(yào)點(diǎn)适用于所有旋(xuán)轉機械，包括汽輪機(jī)、壓縮機和電(diàn)機。

可靠的泵制造(zào)商根(gēn)據正常啟動和運(yùn)行工況來設計泵軸，但(dàn)有些泵制造商在異常(cháng)工況下有更高的裕量和安全裕量。軸斷裂的主要原因通常可以追溯到運行和系統原因。

疲勞失效，也(yě)稱為由于反向彎曲疲勞(láo)與旋轉引起的(de)失效(xiào)，是泵軸斷裂/失效的Z常見原因。

泵軸設計

軸的作用是将驅動機的旋轉(zhuǎn)運動（轉速）和動力（轉矩）傳遞到泵轉子部件 - 主要是葉輪。基本軸設計将轉矩作為主要動力，因為轉矩(jǔ)是Z重(zhòng)要的設計元素（速度和功率是轉矩的整因子）。

泵軸設計還涉及溫度、腐(fǔ)蝕、冶金、軸承(chéng)位置、軸承配合尺寸、懸(xuán)臂部件（葉輪和聯軸器）、預期水力(lì)引起的軸向(xiàng)力和徑向力、鍵(jiàn)槽（鍵槽大小(xiǎo)、布置及其相關幾(jǐ)何形狀）、圓角半徑、軸肩圓角、直徑變化率以及卡(kǎ)環(huán)槽(cáo)等。

此外，葉輪和聯軸器等主(zhǔ)要轉子零部件的軸向放置位置，以及由(yóu)此産生的轉子動(dòng)力學（如臨界速度），都是軸可靠性的主要因素。

所有良(liáng)好的初始軸設計都(dōu)包括彎矩圖和(hé)模态(tài)分析。本文不涉及高功率多級泵軸，其中設計參數包括是否設計為濕式或幹(gàn)式運行以及轉子剛(gāng)度(dù)的設計。

當軸斷裂時，許多泵用戶錯(cuò)誤地指責軸的材料選擇，認為他們需要(yào)更堅固的軸。但選擇這種“越強越好”的做法往往治标不治本。軸故障問題發生的頻率可能(néng)較低，但根(gēn)本原因仍然存在。

一小部(bù)分泵軸會(huì)因冶金(jīn)和(hé)制造工藝問題而(ér)失效，例如基礎材料中未檢測到的孔隙(xì)率、不适當的退火和/或其它工藝處理。有些故障是由于加(jiā)工不當造(zào)成的，例如尺寸不正确、刀具阻力、半徑過(guò)小、遺(yí)漏和/或研磨和抛光不(bú)當。還有(yǒu)一小部分由于設計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(zào)商或用戶的(de)因素是懸臂泵中的(de)懸臂量(liàng)，簡稱為軸的(de)L/D比(bǐ)（表示為L3/D4，其中(zhōng) L 是從葉輪出口中心線到(dào)徑向軸承中心的軸向距離(lí)，D是(shì)軸的直徑）。也稱為“長徑比”或“軸(zhóu)剛度比”，它表示當泵在遠離設計點（Z佳效(xiào)率點或 BEP）運行(háng)時，軸将因水力徑向力會偏轉（彎曲）多少。

圖1：該ANSI泵軸因皮(pí)帶和滑輪布(bù)置不正确地加(jiā)載，導(dǎo)緻旋轉彎曲故障(zhàng)。注(zhù)意外圍的多個（至少(shǎo)15個）斷(duàn)裂原點。靠近軸中間的較暗區(qū)域是瞬時快速斷裂帶（由作者提(tí)供(gòng)）。

症狀處理(lǐ)

查看六種Z常用的泵軸材(cái)料，可以發現硬度(dù)、強度和耐腐蝕性方面的差(chà)異。需要(yào)注意的一點是，這些材(cái)料的楊氏模量幾乎都在(zài)相同(tóng)的範圍内。楊氏模量本質上是材料(liào)的彈性 - 在它斷裂之前，能彎曲多少次？更重要的(de)是，在超(chāo)過材料的極限(xiàn)之前，每次循環(huán)中将其彎曲多遠？

楊氏模量不應與強度、韌性或硬度混淆。由于Z常見的軸材(cái)料都具有相似(sì)的楊氏(shì)模量，因此更換材料的(de)決定(dìng)很少是糾正軸故(gù)障根本(běn)原因的解決方案。通過解決(jué)其它運行因素，Z終用戶将體驗到更高的可靠性。

軸斷(duàn)裂的Z常見原因是(shì)（旋轉）拉伸彎曲疲勞。這些斷裂類型是(shì)前面提到的彎(wān)曲應力的結(jié)果。對(duì)于給定的材(cái)料，循(xún)環次數以及在某(mǒu)種程度上，彎曲循(xún)環的周期性（頻率）和距離（應變或振幅）将決定軸作為一個整體保持多長時間。故(gù)障從Z薄弱點開始，通常是(shì)半徑(jìng)、圓角、卡環或鍵槽處。故障也可(kě)能發生在彎矩點。

對于Z常見的泵軸材料，彎曲應力引起的斷裂将與軸中心線(xiàn)成直角（90 °），因此這些故障看起(qǐ)來幾乎就像軸(zhóu)在該故(gù)障點折斷或(huò)被切斷一(yī)樣。

一種(zhǒng)不(bú)太常見的失效模式是扭轉應力引起的疲勞，其中斷裂(liè)發(fā)生在與軸中心線成45 °角的位置。随着變速裝置的出現，扭轉故障也在(zài)增加。

泵軸斷裂的10個可能原因

1）遠離BEP運行：偏離泵的BEP允許(xǔ)區域運行可(kě)能是軸故障的Z常見原因。遠離BEP的運行(háng)會産生(shēng)不平衡的水力徑向力。由于徑向力引起的軸偏轉（撓(náo)度）會産生彎曲(qǔ)力，該彎曲力将在軸每轉(zhuǎn)一圈時發生兩次。例如，以3,550 rpm旋轉的軸每分鐘将彎曲(qǔ)7,100次。這種彎曲力産生(shēng)了軸(zhóu)拉伸彎曲疲(pí)勞。如果偏轉的幅度（應變）足夠低，大(dà)多數軸可以處理(lǐ)高次數的(de)循環。

2）軸彎曲：軸彎曲問題遵循與上述軸(zhóu)偏轉相同的邏輯。從對軸直線度有高标準/規格的制造(zào)商處購買泵和備用軸(zhóu)。盡職調(diào)查将(jiāng)是謹慎的。泵軸的大多數跳動要求控制在0.001至0.002 英寸(cùn)範圍内，測量值為總(zǒng)指示器(qì)讀數 （TIR）。

3）葉輪(lún)或轉子(zǐ)不平(píng)衡：不(bú)平衡的葉輪在運行時會對軸産生“鞭打?shaft whip）”。效果與軸彎曲和/或偏轉相同，即使您停泵對(duì)軸進行檢查，軸的測(cè)量結果會(huì)是直的(de)。可以說，葉輪平衡對于低速泵和高速泵一(yī)樣重要。在(zài)給定的時間範圍(wéi)内，彎曲循環(huán)的次數減少了，但位移的幅度（應變）由于不平衡、保持在與較高的速度相同(tóng)的範圍内。

4）流體性(xìng)質：通(tōng)常，有關流體(tǐ)特性的問題涉及設計用于一種（較(jiào)低）粘度但承受較高粘度的流體的泵。有一個很簡單的例子，例如泵被選擇并設計用于在 95 °F下泵送 4号燃料油，然後它被用在 35 °F下泵送燃料油（粘(zhān)度近似差異為 235 厘泊）。比重的增加也(yě)會導緻類似的(de)問題。還要(yào)注意，腐蝕(shí)會顯著降低軸材料的疲勞強度。在(zài)這些環境中，具有較(jiào)高耐腐蝕(shí)性的軸是很好的選擇。

5）變速：扭矩與轉速成反比。随着泵轉速(sù)的降低，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 100 hp泵(bèng)的(de)兩(liǎng)倍(bèi)。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用的每 100 rpm 允許的BHP限制。

6）使用不當：忽(hū)視制造商的指南将導(dǎo)緻軸的問(wèn)題。如果泵由發動機驅(qū)動而不是由電動機(jī)或蒸汽輪機驅(qū)動，則由于(yú)間歇與連續扭矩，許多泵軸(zhóu)具有降額系數。如果泵(bèng)不是（通過聯軸器）直接(jiē)驅動，如(rú)皮帶/滑輪驅動或鍊條/鍊輪驅(qū)動，則軸可能會顯著(zhe)降額。許多自吸垃圾泵和渣漿泵(bèng)設計為皮帶驅動，因此問題不(bú)大。根據美國國家标準協會（ANSI）B73.1規範制造(zào)的泵不設計為皮帶驅動(dòng)（除非使用中間軸）。ANSI泵(bèng)可以是皮帶驅(qū)動或發動機驅(qū)動的，但Z大允許功率(lǜ)會大(dà)大降低。許多泵制造商提供重型軸作為可選的額外部件(jiàn)，當根本原因無法糾正時(shí)，這可以解決症狀(zhuàng)。

7）不對中：泵和驅動機之間(jiān)的不對中(zhōng)，即(jí)使是Z輕微(wēi)的偏差也會導緻彎矩(jǔ)。通常，在軸斷裂之前，此問題表現為軸承失效。

8）振動：除不對中和不平衡以外的問題引起的(de)振動 - 如汽蝕、葉片通過頻(pín)率、臨界轉速和諧波 - 會對軸造成應力。

9）部件安裝不正确：另一(yī)個原(yuán)因是葉輪和聯軸器安裝(zhuāng)不正(zhèng)确（不正确的配合和間隙，無論是太緊(jǐn)還是太松）。不正确的配(pèi)合可能會導緻微動。微(wēi)動磨(mó)損會導緻疲勞失效。不正确安裝的鍵和/或鍵槽也會導(dǎo)緻此問題。

10）轉速不當：Z大泵轉速基于葉輪慣性和皮帶傳動的速度限(xiàn)制（例如，ANSI 泵(bèng)的Z大皮帶速度通常約定為6,500 英尺/分鐘）。此外(wài)，在低速(sù)運行時，除了扭矩增加問題(tí)之外，還有一些注意事(shì)項，例如水力(lì)阻尼效應的喪失(shī)（Lomakin效應）。

電機與泵軸承溫度标準

考慮(lǜ)到環境溫度(dù)40℃的(de)情況，電機運行Z高溫(wēn)度不能超過120/130℃。軸承溫度Z高允許95度。

一、軸承溫度标準-泵軸承溫度标準

1、GB3215  4.4.1 泵工作期間(jiān)，軸承Z高溫(wēn)度不超過80℃  

2、JB/T5294  3.2.9.2 軸承溫升不得超過(guò)環境溫度40，Z高溫(wēn)度不得超過80℃

3、JB/T6439  4.3.3 泵(bèng)在規定工況下運轉時，内(nèi)裝式軸承處外表面溫度不應高出輸送介質溫度20℃，Z高溫度不高于80℃。外裝式軸承處外表面溫升不(bú)應高處環境溫度40℃。Z高溫度不高于80℃  

4、JB/T7255  5.15.3 軸承的使用(yòng)溫度。軸承溫升不得超過環境溫度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(chéng)溫升不得超過環境溫度35℃，Z高溫度不得超過80℃

二、電機軸承溫度規定、出現異常(cháng)的原因及處理(lǐ)

規程規定，滾動(dòng)軸承Z高溫度不超過95℃，滑動軸承Z高(gāo)溫度不超過80℃。并且溫升不超過55℃（溫升為軸承溫度減去測(cè)試時的環境溫度(dù)）；

(1)原因：軸彎曲，中心線不(bú)準。處理；重新找中心。

(2)原因：基礎螺絲松(sōng)動。處理：擰緊基礎螺絲。

(3)原因：潤(rùn)滑油(yóu)不幹淨。處(chù)理：更(gèng)換潤滑油。

(4)原(yuán)因：潤滑(huá)油使用時(shí)間過長，未更換。處理：洗淨軸承，更換潤滑(huá)油。

(5)原因：軸承中滾珠或滾柱損(sǔn)壞。

處理：更換新軸承。按照國家标準，F級絕緣B級考核，電(diàn)機溫升控制在80K（電阻法(fǎ)），90K（元件法(fǎ)）。考(kǎo)慮到環境溫度40℃的情(qíng)況，電機運行Z高溫度不能超過120/130℃。軸承(chéng)溫度Z高(gāo)允許95度。用紅(hóng)外檢測槍測量軸承室外表面的溫度，經驗上(shàng)，4極電機Z高點溫度不能超過70℃。對于電機本體，不用監測。電(diàn)機(jī)制造完(wán)成後，一般情況下，他的溫升基(jī)本上是固定的，不會随着電機運行發生突變或者不斷增長(zhǎng)。而軸承是易損件，需要檢(jiǎn)測。

（來源：陝(shǎn)西設備管理）