泵轴经常断裂原因及温度标准.docx
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1、前言如果泵轴断裂,似乎大多数泵所有者/操作员会立即责怪制造商。然而,在大多数情况下,这并不是制造商的错。本文探讨了这个问题及其潜在的原因。虽然其中许多要点是离心泵特有的,但也有一些要点适用于所有旋转机械,包括汽轮机、压缩机和电机。可靠的泵制造商根据正常启动和运行工况来设计泵轴,但有些泵制造商在异常工况下有更高的裕量和安全裕量。轴断裂的主要原因通常可以追溯到运行和系统原因。疲劳失效,也称为由于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。泵轴设计轴的作用是将驱动机的旋转运动(转速)和动力(转矩)传递到泵转子部件 - 主要是叶轮。基本轴设计将转矩作为主要动力,因为转矩是最重要的设计元
2、素(速度和功率是转矩的整因子)。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)、预期水力引起的轴向力和径向力、键槽(键槽大小、布置及其相关几何形状)、圆角半径、轴肩圆角、直径变化率以及卡环槽等。此外,叶轮和联轴器等主要转子零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),都是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,其中设计参数包括是否设计为湿式或干式运行以及转子刚度的设计。当轴断裂时,许多泵用户错误地指责轴的材料选择,认为他们需要更坚固的轴。但选择这种“越强越好”的做法往往治标不治本。轴故障问题发生
3、的频率可能较低,但根本原因仍然存在。一小部分泵轴会因冶金和制造工艺问题而失效,例如基础材料中未检测到的孔隙率、不适当的退火和/或其它工艺处理。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、半径过小、遗漏和/或研磨和抛光不当。还有一小部分由于设计裕量不足以承受扭矩、疲劳和腐蚀而失效。另一个可以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 是从叶轮出口中心线到径向轴承中心的轴向距离,D是轴的直径)。也称为“长径比”或“轴刚度比”,它表示当泵在远离设计点(最佳效率点或 BEP)运行时,轴将因水力径向力会偏转(弯曲)多少。图1:该ANSI泵轴因皮
4、带和滑轮布置不正确地加载,导致旋转弯曲故障。注意外围的多个(至少15个)断裂原点。靠近轴中间的较暗区域是瞬时快速断裂带(由作者提供)。症状处理查看六种最常用的泵轴材料,可以发现硬度、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相同的范围内。杨氏模量本质上是材料的弹性 - 在它断裂之前,能弯曲多少次?更重要的是,在超过材料的极限之前,每次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。通过解决其它运行因素,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
5、伸弯曲疲劳。这些断裂类型是前面提到的弯曲应力的结果。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多长时间。故障从最薄弱点开始,通常是半径、圆角、卡环或键槽处。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(90 ),因此这些故障看起来几乎就像轴在该故障点折断或被切断一样。一种不太常见的失效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。随着变速装置的出现,扭转故障也在增加。泵轴断裂的10个可能原因1)远离 BEP 运行:偏离泵的BEP允许区域运行可能是轴故障的最常见原因。远
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