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廠址:河北省邢臺(tái)市臨西縣軸承工業(yè)園區(qū)北環(huán)路雙創(chuàng)科技園(佳順軸承)
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泵軸經(jīng)常斷裂原因及溫度標(biāo)準(zhǔn)
2023-05-12如果泵軸斷裂,似乎大多數(shù)泵所有者/操作員會(huì)立即責(zé)怪制造商。然而,在大多數(shù)情況下,這并不是制造商的錯(cuò)。本文探討了這個(gè)問(wèn)題及其潛在的原因。雖然其中許多要點(diǎn)是離心泵特有的,但也有一些要點(diǎn)適用于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械,包括汽輪機(jī)、壓縮機(jī)和電機(jī)。
可靠的泵制造商根據(jù)正常啟動(dòng)和運(yùn)行工況來(lái)設(shè)計(jì)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\(yùn)行和系統(tǒng)原因。
疲勞失效,也稱為由于反向彎曲疲勞與旋轉(zhuǎn)引起的失效,是泵軸斷裂/失效的Z常見原因。
泵軸設(shè)計(jì)
軸的作用是將驅(qū)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速)和動(dòng)力(轉(zhuǎn)矩)傳遞到泵轉(zhuǎn)子部件 - 主要是葉輪?;据S設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)矩作為主要?jiǎng)恿?,因?yàn)檗D(zhuǎn)矩是Z重要的設(shè)計(jì)元素(速度和功率是轉(zhuǎn)矩的整因子)。
泵軸設(shè)計(jì)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(lián)軸器)、預(yù)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(guān)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(lián)軸器等主要轉(zhuǎn)子零部件的軸向放置位置,以及由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)(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(shè)計(jì)都包括彎矩圖和模態(tài)分析。本文不涉及高功率多級(jí)泵軸,其中設(shè)計(jì)參數(shù)包括是否設(shè)計(jì)為濕式或干式運(yùn)行以及轉(zhuǎn)子剛度的設(shè)計(jì)。
當(dāng)軸斷裂時(shí),許多泵用戶錯(cuò)誤地指責(zé)軸的材料選擇,認(rèn)為他們需要更堅(jiān)固的軸。但選擇這種“越強(qiáng)越好”的做法往往治標(biāo)不治本。軸故障問(wèn)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(huì)因冶金和制造工藝問(wèn)題而失效,例如基礎(chǔ)材料中未檢測(cè)到的孔隙率、不適當(dāng)?shù)耐嘶鸷?或其它工藝處理。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、半徑過(guò)小、遺漏和/或研磨和拋光不當(dāng)。還有一小部分由于設(shè)計(jì)裕量不足以承受扭矩、疲勞和腐蝕而失效。
另一個(gè)可以歸咎于制造商或用戶的因素是懸臂泵中的懸臂量,簡(jiǎn)稱為軸的L/D比(表示為L(zhǎng)3/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(zhǎng)徑比”或“軸剛度比”,它表示當(dāng)泵在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)(Z佳效率點(diǎn)或 BEP)運(yùn)行時(shí),軸將因水力徑向力會(huì)偏轉(zhuǎn)(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(dǎo)致旋轉(zhuǎn)彎曲故障。注意外圍的多個(gè)(至少15個(gè))斷裂原點(diǎn)??拷S中間的較暗區(qū)域是瞬時(shí)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(xiàn)硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕性方面的差異。需要注意的一點(diǎn)是,這些材料的楊氏模量幾乎都在相同的范圍內(nèi)。楊氏模量本質(zhì)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(guò)材料的極限之前,每次循環(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(guò)解決其它運(yùn)行因素,Z終用戶將體驗(yàn)到更高的可靠性。
軸斷裂的Z常見原因是(旋轉(zhuǎn))拉伸彎曲疲勞。這些斷裂類型是前面提到的彎曲應(yīng)力的結(jié)果。對(duì)于給定的材料,循環(huán)次數(shù)以及在某種程度上,彎曲循環(huán)的周期性(頻率)和距離(應(yīng)變或振幅)將決定軸作為一個(gè)整體保持多長(zhǎng)時(shí)間。故障從Z薄弱點(diǎn)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(diǎn)。
對(duì)于Z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(90 °),因此這些故障看起來(lái)幾乎就像軸在該故障點(diǎn)折斷或被切斷一樣。
一種不太常見的失效模式是扭轉(zhuǎn)應(yīng)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(xiàn),扭轉(zhuǎn)故障也在增加。
泵軸斷裂的10個(gè)可能原因
1)遠(yuǎn)離BEP運(yùn)行:偏離泵的BEP允許區(qū)域運(yùn)行可能是軸故障的Z常見原因。遠(yuǎn)離BEP的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不平衡的水力徑向力。由于徑向力引起的軸偏轉(zhuǎn)(撓度)會(huì)產(chǎn)生彎曲力,該彎曲力將在軸每轉(zhuǎn)一圈時(shí)發(fā)生兩次。例如,以3,550 rpm旋轉(zhuǎn)的軸每分鐘將彎曲7,100次。這種彎曲力產(chǎn)生了軸拉伸彎曲疲勞。如果偏轉(zhuǎn)的幅度(應(yīng)變)足夠低,大多數(shù)軸可以處理高次數(shù)的循環(huán)。
2)軸彎曲:軸彎曲問(wèn)題遵循與上述軸偏轉(zhuǎn)相同的邏輯。從對(duì)軸直線度有高標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)格的制造商處購(gòu)買泵和備用軸。盡職調(diào)查將是謹(jǐn)慎的。泵軸的大多數(shù)跳動(dòng)要求控制在0.001至0.002 英寸范圍內(nèi),測(cè)量值為總指示器讀數(shù) (TIR)。
3)葉輪或轉(zhuǎn)子不平衡:不平衡的葉輪在運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)軸產(chǎn)生“鞭打?shaft whip)”。效果與軸彎曲和/或偏轉(zhuǎn)相同,即使您停泵對(duì)軸進(jìn)行檢查,軸的測(cè)量結(jié)果會(huì)是直的??梢哉f(shuō),葉輪平衡對(duì)于低速泵和高速泵一樣重要。在給定的時(shí)間范圍內(nèi),彎曲循環(huán)的次數(shù)減少了,但位移的幅度(應(yīng)變)由于不平衡、保持在與較高的速度相同的范圍內(nèi)。
4)流體性質(zhì):通常,有關(guān)流體特性的問(wèn)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。有一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子,例如泵被選擇并設(shè)計(jì)用于在 95 °F下泵送 4號(hào)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(huì)導(dǎo)致類似的問(wèn)題。還要注意,腐蝕會(huì)顯著降低軸材料的疲勞強(qiáng)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(zhuǎn)速成反比。隨著泵轉(zhuǎn)速的降低,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(shí) 100 hp泵的兩倍。除了整根軸的Z大制動(dòng)馬力(BHP)限制外,用戶還必須檢查泵應(yīng)用的每 100 rpm 允許的BHP限制。
6)使用不當(dāng):忽視制造商的指南將導(dǎo)致軸的問(wèn)題。如果泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而不是由電動(dòng)機(jī)或蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng),則由于間歇與連續(xù)扭矩,許多泵軸具有降額系數(shù)。如果泵不是(通過(guò)聯(lián)軸器)直接驅(qū)動(dòng),如皮帶/滑輪驅(qū)動(dòng)或鏈條/鏈輪驅(qū)動(dòng),則軸可能會(huì)顯著降額。許多自吸垃圾泵和渣漿泵設(shè)計(jì)為皮帶驅(qū)動(dòng),因此問(wèn)題不大。根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)B73.1規(guī)范制造的泵不設(shè)計(jì)為皮帶驅(qū)動(dòng)(除非使用中間軸)。ANSI泵可以是皮帶驅(qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的,但Z大允許功率會(huì)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(dāng)根本原因無(wú)法糾正時(shí),這可以解決癥狀。
7)不對(duì)中:泵和驅(qū)動(dòng)機(jī)之間的不對(duì)中,即使是Z輕微的偏差也會(huì)導(dǎo)致彎矩。通常,在軸斷裂之前,此問(wèn)題表現(xiàn)為軸承失效。
8)振動(dòng):除不對(duì)中和不平衡以外的問(wèn)題引起的振動(dòng) - 如汽蝕、葉片通過(guò)頻率、臨界轉(zhuǎn)速和諧波 - 會(huì)對(duì)軸造成應(yīng)力。
9)部件安裝不正確:另一個(gè)原因是葉輪和聯(lián)軸器安裝不正確(不正確的配合和間隙,無(wú)論是太緊還是太松)。不正確的配合可能會(huì)導(dǎo)致微動(dòng)。微動(dòng)磨損會(huì)導(dǎo)致疲勞失效。不正確安裝的鍵和/或鍵槽也會(huì)導(dǎo)致此問(wèn)題。
10)轉(zhuǎn)速不當(dāng):Z大泵轉(zhuǎn)速基于葉輪慣性和皮帶傳動(dòng)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(yùn)行時(shí),除了扭矩增加問(wèn)題之外,還有一些注意事項(xiàng),例如水力阻尼效應(yīng)的喪失(Lomakin效應(yīng))。
電機(jī)與泵軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)
考慮到環(huán)境溫度40℃的情況,電機(jī)運(yùn)行Z高溫度不能超過(guò)120/130℃。軸承溫度Z高允許95度。
一、軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)-泵軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)
1、GB3215 4.4.1 泵工作期間,軸承Z高溫度不超過(guò)80℃
2、JB/T5294 3.2.9.2 軸承溫升不得超過(guò)環(huán)境溫度40,Z高溫度不得超過(guò)80℃
3、JB/T6439 4.3.3 泵在規(guī)定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),內(nèi)裝式軸承處外表面溫度不應(yīng)高出輸送介質(zhì)溫度20℃,Z高溫度不高于80℃。外裝式軸承處外表面溫升不應(yīng)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(guò)環(huán)境溫度35℃,Z高溫度不得超過(guò)75℃
5、JB/T7743 7.16.4 軸承溫升不得超過(guò)環(huán)境溫度40℃,Z高溫度不得超過(guò)80℃
6、JB/T8644 4.14 軸承溫升不得超過(guò)環(huán)境溫度35℃,Z高溫度不得超過(guò)80℃
二、電機(jī)軸承溫度規(guī)定、出現(xiàn)異常的原因及處理
規(guī)程規(guī)定,滾動(dòng)軸承Z高溫度不超過(guò)95℃,滑動(dòng)軸承Z高溫度不超過(guò)80℃。并且溫升不超過(guò)55℃(溫升為軸承溫度減去測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度);
(1)原因:軸彎曲,中心線不準(zhǔn)。處理;重新找中心。
(2)原因:基礎(chǔ)螺絲松動(dòng)。處理:擰緊基礎(chǔ)螺絲。
(3)原因:潤(rùn)滑油不干凈。處理:更換潤(rùn)滑油。
(4)原因:潤(rùn)滑油使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng),未更換。處理:洗凈軸承,更換潤(rùn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn),F(xiàn)級(jí)絕緣B級(jí)考核,電機(jī)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(jī)運(yùn)行Z高溫度不能超過(guò)120/130℃。軸承溫度Z高允許95度。用紅外檢測(cè)槍測(cè)量軸承室外表面的溫度,經(jīng)驗(yàn)上,4極電機(jī)Z高點(diǎn)溫度不能超過(guò)70℃。對(duì)于電機(jī)本體,不用監(jiān)測(cè)。電機(jī)制造完成后,一般情況下,他的溫升基本上是固定的,不會(huì)隨著電機(jī)運(yùn)行發(fā)生突變或者不斷增長(zhǎng)。而軸承是易損件,需要檢測(cè)。
(來(lái)源:陜西設(shè)備管理)