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泵轴经常断裂原因及温度标准

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Z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Z重要的设计元素(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(Z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Z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Z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解决方案。通过解决其它运行因素,Z终用户将体验到更高的可靠性。

轴断裂的Z常见原因是(旋转)拉伸弯曲疲劳。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Z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Z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Z常见原因。远离BEP的运行会产生不平衡的水力径向力。由于径向力引起的轴偏转(挠度)会产生弯曲力,该弯曲力将在轴每转一圈时发生两次。例如,以3,550 rpm旋转的轴每分钟将弯曲7,100次。这种弯曲力产生了轴拉伸弯曲疲劳。如果偏转的幅度(应变)足够低,大多数轴可以处理高次数的循环。

2)轴弯曲:轴弯曲问题遵循与上述轴偏转相同的逻辑。从对轴直线度有高标准/规格的制造商处购买泵和备用轴。尽职调查将是谨慎的。泵轴的大多数跳动要求控制在0.001至0.002 英寸范围内,测量值为总指示器读数 (TIR)。

3)叶轮或转子不平衡:不平衡的叶轮在运行时会对轴产生“鞭打?shaft whip)”。效果与轴弯曲和/或偏转相同,即使您停泵对轴进行检查,轴的测量结果会是直的。可以说,叶轮平衡对于低速泵和高速泵一样重要。在给定的时间范围内,弯曲循环的次数减少了,但位移的幅度(应变)由于不平衡、保持在与较高的速度相同的范围内。

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。有一个很简单的例子,例如泵被选择并设计用于在 95 °F下泵送 4号燃料油,然后它被用在 35 °F下泵送燃料油(粘度近似差异为 235 厘泊)。比重的增加也会导致类似的问题。还要注意,腐蚀会显著降低轴材料的疲劳强度。在这些环境中,具有较高耐腐蚀性的轴是很好的选择。

5)变速:扭矩与转速成反比。随着泵转速的降低,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。除了整根轴的Z大制动马力(BHP)限制外,用户还必须检查泵应用的每 100 rpm 允许的BHP限制。

6)使用不当:忽视制造商的指南将导致轴的问题。如果泵由发动机驱动而不是由电动机或蒸汽轮机驱动,则由于间歇与连续扭矩,许多泵轴具有降额系数。如果泵不是(通过联轴器)直接驱动,如皮带/滑轮驱动或链条/链轮驱动,则轴可能会显著降额。许多自吸垃圾泵和渣浆泵设计为皮带驱动,因此问题不大。根据美国国家标准协会(ANSI)B73.1规范制造的泵不设计为皮带驱动(除非使用中间轴)。ANSI泵可以是皮带驱动或发动机驱动的,但Z大允许功率会大大降低。许多泵制造商提供重型轴作为可选的额外部件,当根本原因无法纠正时,这可以解决症状。

7)不对中:泵和驱动机之间的不对中,即使是Z轻微的偏差也会导致弯矩。通常,在轴断裂之前,此问题表现为轴承失效。

8)振动:除不对中和不平衡以外的问题引起的振动 - 如汽蚀、叶片通过频率、临界转速和谐波 - 会对轴造成应力。

9)部件安装不正确:另一个原因是叶轮和联轴器安装不正确(不正确的配合和间隙,无论是太紧还是太松)。不正确的配合可能会导致微动。微动磨损会导致疲劳失效。不正确安装的键和/或键槽也会导致此问题。

10)转速不当:Z大泵转速基于叶轮惯性和皮带传动的速度限制(例如,ANSI 泵的Z大皮带速度通常约定为6,500 英尺/分钟)。此外,在低速运行时,除了扭矩增加问题之外,还有一些注意事项,例如水力阻尼效应的丧失(Lomakin效应)。

电机与泵轴承温度标准

考虑到环境温度40℃的情况,电机运行Z高温度不能超过120/130℃。轴承温度Z高允许95度。

一、轴承温度标准-泵轴承温度标准

1、GB3215  4.4.1 泵工作期间,轴承Z高温度不超过80℃  

2、JB/T5294  3.2.9.2 轴承温升不得超过环境温度40,Z高温度不得超过80℃

3、JB/T6439  4.3.3 泵在规定工况下运转时,内装式轴承处外表面温度不应高出输送介质温度20℃,Z高温度不高于80℃。外装式轴承处外表面温升不应高处环境温度40℃。Z高温度不高于80℃  

4、JB/T7255  5.15.3 轴承的使用温度。轴承温升不得超过环境温度35℃,Z高温度不得超过75℃

5、JB/T7743  7.16.4 轴承温升不得超过环境温度40℃,Z高温度不得超过80℃

6、JB/T8644  4.14 轴承温升不得超过环境温度35℃,Z高温度不得超过80℃

二、电机轴承温度规定、出现异常的原因及处理

规程规定,滚动轴承Z高温度不超过95℃,滑动轴承Z高温度不超过80℃。并且温升不超过55℃(温升为轴承温度减去测试时的环境温度);

(1)原因:轴弯曲,中心线不准。处理;重新找中心。

(2)原因:基础螺丝松动。处理:拧紧基础螺丝。

(3)原因:润滑油不干净。处理:更换润滑油。

(4)原因:润滑油使用时间过长,未更换。处理:洗净轴承,更换润滑油。

(5)原因:轴承中滚珠或滚柱损坏。

处理:更换新轴承。按照国家标准,F级绝缘B级考核,电机温升控制在80K(电阻法),90K(元件法)。考虑到环境温度40℃的情况,电机运行Z高温度不能超过120/130℃。轴承温度Z高允许95度。用红外检测枪测量轴承室外表面的温度,经验上,4极电机Z高点温度不能超过70℃。对于电机本体,不用监测。电机制造完成后,一般情况下,他的温升基本上是固定的,不会随着电机运行发生突变或者不断增长。而轴承是易损件,需要检测。

(来源:陕西设备管理)

2023-05-12

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