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泵軸經常斷裂原因及溫度標準

2023-05-12

如果泵軸斷裂,似乎大多數泵所有者/操作員會立即責怪制造商。然而,在大多數情況下,這并不是制造商的錯。本文探討了這個問題及其潛在的原因。雖然其中許多要點是離心泵特有的,但也有一些要點適用于所有旋轉機械,包括汽輪機、壓縮機和電機。

可靠的泵制造商根據正常啟動和運行工況來設計泵軸,但有些泵制造商在異常工況下有更高的裕量和安全裕量。軸斷裂的主要原因通??梢宰匪莸竭\行和系統原因。

疲勞失效,也稱為由于反向彎曲疲勞與旋轉引起的失效,是泵軸斷裂/失效的Z常見原因。

泵軸設計

軸的作用是將驅動機的旋轉運動(轉速)和動力(轉矩)傳遞到泵轉子部件 - 主要是葉輪?;据S設計將轉矩作為主要動力,因為轉矩是Z重要的設計元素(速度和功率是轉矩的整因子)。

泵軸設計還涉及溫度、腐蝕、冶金、軸承位置、軸承配合尺寸、懸臂部件(葉輪和聯軸器)、預期水力引起的軸向力和徑向力、鍵槽(鍵槽大小、布置及其相關幾何形狀)、圓角半徑、軸肩圓角、直徑變化率以及卡環(huán)槽等。

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

所有良好的初始軸設計都包括彎矩圖和模態(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干式運行以及轉子剛度的設計。

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

一小部分泵軸會因冶金和制造工藝問題而失效,例如基礎材料中未檢測到的孔隙率、不適當的退火和/或其它工藝處理。有些故障是由于加工不當造成的,例如尺寸不正確、刀具阻力、半徑過小、遺漏和/或研磨和拋光不當。還有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。

另一個可以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 是從葉輪出口中心線到徑向軸承中心的軸向距離,D是軸的直徑)。也稱為“長徑比”或“軸剛度比”,它表示當泵在遠離設計點(Z佳效率點或 BEP)運行時,軸將因水力徑向力會偏轉(彎曲)多少。

圖1:該ANSI泵軸因皮帶和滑輪布置不正確地加載,導致旋轉彎曲故障。注意外圍的多個(至少15個)斷裂原點??拷S中間的較暗區(qū)域是瞬時快速斷裂帶(由作者提供)。

癥狀處理

查看六種Z常用的泵軸材料,可以發(fā)現硬度、強度和耐腐蝕性方面的差異。需要注意的一點是,這些材料的楊氏模量幾乎都在相同的范圍內。楊氏模量本質上是材料的彈性 - 在它斷裂之前,能彎曲多少次?更重要的是,在超過材料的極限之前,每次循環(huán)中將其彎曲多遠?

楊氏模量不應與強度、韌性或硬度混淆。由于Z常見的軸材料都具有相似的楊氏模量,因此更換材料的決定很少是糾正軸故障根本原因的解決方案。通過解決其它運行因素,Z終用戶將體驗到更高的可靠性。

軸斷裂的Z常見原因是(旋轉)拉伸彎曲疲勞。這些斷裂類型是前面提到的彎曲應力的結果。對于給定的材料,循環(huán)次數以及在某種程度上,彎曲循環(huán)的周期性(頻率)和距離(應變或振幅)將決定軸作為一個整體保持多長時間。故障從Z薄弱點開始,通常是半徑、圓角、卡環(huán)或鍵槽處。故障也可能發(fā)生在彎矩點。

對于Z常見的泵軸材料,彎曲應力引起的斷裂將與軸中心線成直角(90 °),因此這些故障看起來幾乎就像軸在該故障點折斷或被切斷一樣。

一種不太常見的失效模式是扭轉應力引起的疲勞,其中斷裂發(fā)生在與軸中心線成45 °角的位置。隨著變速裝置的出現,扭轉故障也在增加。

泵軸斷裂的10個可能原因

1)遠離BEP運行:偏離泵的BEP允許區(qū)域運行可能是軸故障的Z常見原因。遠離BEP的運行會產生不平衡的水力徑向力。由于徑向力引起的軸偏轉(撓度)會產生彎曲力,該彎曲力將在軸每轉一圈時發(fā)生兩次。例如,以3,550 rpm旋轉的軸每分鐘將彎曲7,100次。這種彎曲力產生了軸拉伸彎曲疲勞。如果偏轉的幅度(應變)足夠低,大多數軸可以處理高次數的循環(huán)。

2)軸彎曲:軸彎曲問題遵循與上述軸偏轉相同的邏輯。從對軸直線度有高標準/規(guī)格的制造商處購買泵和備用軸。盡職調查將是謹慎的。泵軸的大多數跳動要求控制在0.001至0.002 英寸范圍內,測量值為總指示器讀數 (TIR)。

3)葉輪或轉子不平衡:不平衡的葉輪在運行時會對軸產生“鞭打?shaft whip)”。效果與軸彎曲和/或偏轉相同,即使您停泵對軸進行檢查,軸的測量結果會是直的??梢哉f,葉輪平衡對于低速泵和高速泵一樣重要。在給定的時間范圍內,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的范圍內。

4)流體性質:通常,有關流體特性的問題涉及設計用于一種(較低)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號燃料油,然后它被用在 35 °F下泵送燃料油(粘度近似差異為 235 厘泊)。比重的增加也會導致類似的問題。還要注意,腐蝕會顯著降低軸材料的疲勞強度。在這些環(huán)境中,具有較高耐腐蝕性的軸是很好的選擇。

5)變速:扭矩與轉速成反比。隨著泵轉速的降低,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:忽視制造商的指南將導致軸的問題。如果泵由發(fā)動機驅動而不是由電動機或蒸汽輪機驅動,則由于間歇與連續(xù)扭矩,許多泵軸具有降額系數。如果泵不是(通過聯軸器)直接驅動,如皮帶/滑輪驅動或鏈條/鏈輪驅動,則軸可能會顯著降額。許多自吸垃圾泵和渣漿泵設計為皮帶驅動,因此問題不大。根據美國國家標準協會(ANSI)B73.1規(guī)范制造的泵不設計為皮帶驅動(除非使用中間軸)。ANSI泵可以是皮帶驅動或發(fā)動機驅動的,但Z大允許功率會大大降低。許多泵制造商提供重型軸作為可選的額外部件,當根本原因無法糾正時,這可以解決癥狀。

7)不對中:泵和驅動機之間的不對中,即使是Z輕微的偏差也會導致彎矩。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振動 - 如汽蝕、葉片通過頻率、臨界轉速和諧波 - 會對軸造成應力。

9)部件安裝不正確:另一個原因是葉輪和聯軸器安裝不正確(不正確的配合和間隙,無論是太緊還是太松)。不正確的配合可能會導致微動。微動磨損會導致疲勞失效。不正確安裝的鍵和/或鍵槽也會導致此問題。

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制(例如,ANSI 泵的Z大皮帶速度通常約定為6,500 英尺/分鐘)。此外,在低速運行時,除了扭矩增加問題之外,還有一些注意事項,例如水力阻尼效應的喪失(Lomakin效應)。

電機與泵軸承溫度標準

考慮到環(huán)境溫度40℃的情況,電機運行Z高溫度不能超過120/130℃。軸承溫度Z高允許95度。

一、軸承溫度標準-泵軸承溫度標準

1、GB3215  4.4.1 泵工作期間,軸承Z高溫度不超過80℃  

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

3、JB/T6439  4.3.3 泵在規(guī)定工況下運轉時,內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應高處環(huán)境溫度40℃。Z高溫度不高于80℃  

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

二、電機軸承溫度規(guī)定、出現異常的原因及處理

規(guī)程規(guī)定,滾動軸承Z高溫度不超過95℃,滑動軸承Z高溫度不超過80℃。并且溫升不超過55℃(溫升為軸承溫度減去測試時的環(huán)境溫度);

(1)原因:軸彎曲,中心線不準。處理;重新找中心。

(2)原因:基礎螺絲松動。處理:擰緊基礎螺絲。

(3)原因:潤滑油不干凈。處理:更換潤滑油。

(4)原因:潤滑油使用時間過長,未更換。處理:洗凈軸承,更換潤滑油。

(5)原因:軸承中滾珠或滾柱損壞。

處理:更換新軸承。按照國家標準,F級絕緣B級考核,電機溫升控制在80K(電阻法),90K(元件法)。考慮到環(huán)境溫度40℃的情況,電機運行Z高溫度不能超過120/130℃。軸承溫度Z高允許95度。用紅外檢測槍測量軸承室外表面的溫度,經驗上,4極電機Z高點溫度不能超過70℃。對于電機本體,不用監(jiān)測。電機制造完成后,一般情況下,他的溫升基本上是固定的,不會隨著電機運行發(fā)生突變或者不斷增長。而軸承是易損件,需要檢測。

(來源:陜西設備管理)