前言

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（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中間的較暗區域是瞬時快速斷裂帶（由作者提供）。

癥狀處理

查看六種常用的泵軸材料，可以發現硬度、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一解決方案。通過解決其它運行因素，終用戶將體驗到更高的可靠性。

軸斷裂的常見原因是（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，循環次數以及在某種程度上，彎曲循環的周期性（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。故障從薄弱點開始，通常是半徑、圓角、卡環或鍵槽處。故障也可能發生在彎矩點。

對于常見的泵軸材料，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允許區域運行可能是軸故障的常見原因。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。

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：關于牛頓流體與非牛頓流體的討論，《泵沙龍》中有所介紹。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