離心泵軸總是斷裂是什么原因
作者:離心泵 來源:泵軸 發(fā)布時間:2023-11-24
如果泵軸斷裂,大多數(shù)泵所有者會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。本文探討了該問題和潛在原因。
可靠的泵制造商根據(jù)正常啟動和運(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??梢宰匪莸讲僮骱拖到y(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/失效的常見原因。

一,泵軸設(shè)計(jì)對軸斷裂的影響
泵軸的目的是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和功率(扭矩)從驅(qū)動設(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,會錯誤地責(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。
小部分泵軸會因冶金和制造工藝問題而失效,例如:基礎(chǔ)材料未檢測到的孔隙率、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,無法承受扭矩、疲勞和腐蝕。
另一個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,泵軸會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(少15個)斷裂原點(diǎn)??拷幂S中間的較暗區(qū)域是瞬時快速斷裂區(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?在超過材料極限之前,可以在每個循環(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。
泵軸斷裂的常見原因是旋轉(zhuǎn)拉伸和彎曲疲勞。對于給定的泵軸材料,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整體能運(yùn)行多長時間。故障將從薄弱點(diǎn)開始,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)。
對于常見的泵軸材料,彎曲應(yīng)力引起的斷裂將與軸中心線成直角,因此這些故障看起來幾乎就像泵軸在該故障點(diǎn)折斷或切斷一樣。
不太常見的失效模式是扭轉(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原因。遠(yuǎn)離BEP的運(yùn)行會產(chǎn)生過大的徑向力。由于徑向力引起的軸偏轉(zhuǎn)會產(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)對大量的循環(huán)。
2,彎曲的泵軸:
彎曲軸問題遵循與上述偏轉(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)致泵軸問題。
如果由于間歇與連續(xù)扭矩,泵由發(fā)動機(jī)驅(qū)動而不是電動機(jī)或蒸汽輪機(jī)驅(qū)動,則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,例如皮帶/皮帶輪,鏈條/鏈輪驅(qū)動,則泵軸可能會顯著降額。
許多自吸泵設(shè)計(jì)為皮帶驅(qū)動,因此幾乎沒有上述問題。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,采用皮帶驅(qū)動時,允許馬力會大大降低。
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導(dǎo)致蠕動。蠕動磨損會導(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的(外圍)速度限制。此外,除了扭矩增加問題之外,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)行時會產(chǎn)生“軸攪動”。效果與軸彎曲和/或偏轉(zhuǎn)相同,即使停泵檢查,泵軸也會滿足要求。可以說,平衡葉輪對于低速泵和高速泵一樣重要。
7,不對中:
泵和驅(qū)動設(shè)備之間的不對中,即使是輕微的偏差也會導(dǎo)致彎矩。通常,此問題表現(xiàn)為軸承在泵軸斷裂之前失效。
8,振動:
除不對中和不平衡以外的問題(如:氣蝕、通過葉片頻率等)引起的振動會對泵軸造成應(yīng)力。
9,流體性質(zhì):
通常有關(guān)流體特性的問題涉及設(shè)計(jì)用于一種較低粘度但承受較高粘度的流體的泵。一個簡單的例子,例如選擇的泵用于在 35℃下泵送 4 號燃料油,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導(dǎo)致類似的問題。
另請注意,腐蝕會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,100 hp泵所需的扭矩是1,750 rpm時100 hp泵的兩倍。除了整個軸的大制動馬力 (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。