泵断轴的10个常见因素

泵轴断裂，这一看似复杂的问题，往往让泵所有者/操作员第一时间联想到制造商的责任。然而，在多数情况下，这并非制造商的过错。泵断轴是流体机械运行中的“灾难性故障”，轻则导致系统停机、介质泄漏，重则引发设备报废甚至安全事故，是运维中需重点防范的核心风险。其诱因复杂多元，既涉及设计载荷偏差、材质缺陷、动平衡失调等“先天短板”，也与运行过载、振动冲击、安装偏斜等“后天失养”密切相关。值得警惕的是，作为系统压力保护的关键屏障，安全阀校验的缺失常被忽视——若安全阀未按周期校验，起跳压力偏离设计值，可能导致系统异常超压，泵轴被迫承受超额扭矩或冲击载荷，加速金属疲劳累积，最终引发断轴。本文将系统梳理泵断轴的10个常见原因，重点揭示安全阀校验与压力管控在其中的关键影响，为精准预防断轴风险提供技术指引。

可靠的泵制造商会依据正常启动和运行条件来设计泵轴，同时也会考虑异常工况下的安全裕量。轴的断裂，通常可归因于运行和系统因素。其中，疲劳失效——由于反向弯曲和旋转应力而导致的失效——是导致轴断裂的最常见原因。

泵轴设计

轴在泵中扮演着至关重要的角色，它负责将驱动机的旋转动力和转矩传递至泵转子部件，特别是叶轮。轴的基本设计以转矩为核心要素，因为这是影响轴性能的关键因素。此外，轴的设计还需综合考虑温度、腐蚀、冶金特性、轴承位置与配合尺寸、悬臂部件（如叶轮和联轴器）、预期的水力轴向和径向力、键槽设计、圆角半径以及卡环槽等多个方面。

叶轮和联轴器等转子部件的轴向位置及其产生的转子动力学特性

对轴的可靠性有着显著影响。因此，在初始轴设计阶段，必须进行详细的弯矩图和模态分析。

然而，当轴发生断裂时，许多用户会误以为是材料选择的问题，从而盲目追求更坚固的轴。但事实上，单纯的材料强化往往无法根本解决问题。轴故障的发生可能具有偶然性，但其背后往往隐藏着更深层次的原因。

当然，也有少数情况是冶金和制造工艺问题导致的轴失效，例如材料中的孔隙率、不恰当的退火处理或其他工艺缺陷。此外，加工不当、设计裕量不足以及腐蚀等问题也可能导致轴的失效。

另一个可能影响轴断裂的因素，涉及到制造商和用户的是悬臂泵中的悬臂量，也被称为轴的L/D比（以L3/D4表示，其中L代表从叶轮出口中心线到径向轴承中心的轴向距离，D则是轴的直径）。这个比例也常被称作“长径比”或“轴刚度比”，它反映了当泵在偏离设计点（例如最佳效率点或BEP）运行时，轴会因为水力径向力而偏转（弯曲）的程度。

在探讨泵轴材料时，我们发现不同材料在硬度、强度和耐腐蚀性方面各有差异。然而，值得注意的是，这些材料的杨氏模量大致相当。杨氏模量主要反映材料的弹性，即材料在断裂前能弯曲的次数，以及在达到极限前每次循环能弯曲多远。

尽管轴的材料选择会影响其性能，但杨氏模量并非唯一决定因素。其他运行因素，如泵的偏离最佳效率点（BEP）运行，也可能是导致轴断裂的原因。偏离BEP运行会产生不平衡的水力径向力，从而引发轴的偏转（挠度）和弯曲力。这种弯曲力在轴每转一圈时会发生两次，导致轴拉伸弯曲疲劳。

轴断裂的最常见原因是旋转拉伸弯曲疲劳

这种疲劳通常始于最薄弱点，如半径、圆角、卡环或键槽处。此外，扭转应力也可能引起轴的疲劳断裂，这种断裂通常发生在与轴中心线成45°角的位置。随着变速装置的普及，扭转故障也在逐渐增多。

为了预防泵轴断裂，我们需要密切关注泵的运行状态，确保其在最佳效率点附近运行，并采取措施减少水力径向力和轴的偏转。同时，选择合适的轴材料和优化设计也是至关重要的。通过这些措施，我们可以提高泵的可靠性，降低轴断裂的风险。

2）轴弯曲问题与轴偏转有相似的逻辑。

购买泵和备用轴时，应选择对轴直线度有高标准/规格的制造商，以确保轴的直线度在最佳范围内。大多数泵轴的跳动要求控制在001至002英寸范围内，这是通过总指示器读数（TIR）来测量的。

3）叶轮或转子不平衡会对轴产生“鞭打”效应

类似于轴弯曲和/或偏转的影响。即使停泵后对轴进行检查，测量结果可能显示轴是直的，但运行时不平衡的叶轮仍会对轴造成影响。因此，叶轮平衡对于低速泵和高速泵都至关重要。在给定的时间范围内，尽管弯曲循环次数减少，但位移幅度（应变）会由于不平衡而保持在较高水平。

4）流体性质也是一个需要考虑的因素。

例如，泵可能被设计用于在95°F下泵送4号燃料油，但如果实际使用时在35°F下泵送燃料油（粘度差异显著），就可能导致问题。此外，流体比重增加也会引发类似问题。同时，腐蚀会显著降低轴材料的疲劳强度，因此在这些环境中选择具有较高耐腐蚀性的轴材料至关重要。

5）变速也是一个需要考虑的因素。

随着泵转速的降低，轴扭矩会增加。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。除了考虑整根轴的最大制动马力（BHP）限制外，用户还必须检查泵应用中每100 rpm允许的BHP限制，以确保泵的安全和性能。

6）使用不当：忽视制造商指南可能导致轴问题。

若泵由发动机驱动而非电动机或蒸汽轮机，则因间歇与连续扭矩，许多泵轴具有降额系数。如泵非直接驱动（如皮带/滑轮或链条/链轮驱动），则轴可能显著降额。多数自吸垃圾泵和渣浆泵设计为皮带驱动，问题不大。但需注意，根据美国国家标准协会（ANSI）B1规范制造的泵，除非使用中间轴，否则不设计为皮带驱动。此类ANSI泵可皮带或发动机驱动，但最大允许功率会大幅降低。许多泵制造商提供重型轴作为可选部件，以缓解症状。

7）不对中：泵与驱动机之间轻微偏差即可导致弯矩。

通常，这会在轴断裂前表现为轴承失效。

8）振动：除不对中和不平衡外，其他问题如汽蚀、叶片通过频率、临界转速和谐波引起的振动，都会对轴造成应力。

9）部件安装不正确：叶轮和联轴器安装不当（如配合和间隙不正确），可能导致微动磨损和疲劳失效。此外，不正确的键和/或键槽安装也会引发问题。

10）转速不当：最大泵转速受叶轮惯性和皮带传动速度限制（例如，ANSI泵的最大皮带速度通常为6,500英尺/分钟）。在低速运行时，除扭矩增加外，还需注意水力阻尼效应的丧失（Lomakin效应）。

电机与泵轴承温度标准：

在环境温度40℃的条件下，电机运行最高温度不得超过120/130℃，而轴承温度则最高允许为95℃。此外，还有针对泵轴承的温度标准，如GB3215和JB/T5294等规范所规定。

JB/T6439标准规定，在泵的规定工况下运转时，内装式轴承处的外表面温度不应超出输送介质温度20℃，且最高温度不得超过80℃。对于外装式轴承，其外表面温升则不应超过环境温度40℃，同样，最高温度也不得超过80℃。

JB/T7255标准则指出，轴承的使用温度应得到严格控制。具体来说，轴承的温升不得超过环境温度35℃，且最高温度不得超过75℃。

JB/T7743和JB/T8644标准也分别对轴承的温度进行了规定。其中，JB/T7743要求轴承温升不超过环境温度40℃，最高温度不超过80℃；而JB/T8644则规定轴承温升不得超过环境温度35℃，最高温度同样不得超过80℃。

关于电机轴承的温度规定及其异常情况的处理方法

规程明确指出，滚动轴承的最高温度应控制在95℃以内，滑动轴承则不得超过80℃。此外，温升也需严格控制，不得超过55℃（即轴承温度减去测试时的环境温度）。

对于电机轴承温度异常的原因及处理措施，主要包括以下几点：

(1)轴弯曲或中心线不准，需要重新找中心；

(2)基础螺丝松动，应拧紧基础螺丝；

(3)润滑油不干净或使用时间过长未更换，应更换润滑油；

(4)轴承中滚珠或滚柱损坏，需要更换新轴承。

同时，电机本身的温升在制造完成后基本上是固定的，不会随运行发生突变或持续增长。但轴承作为易损件，其温度需要定期检测。

一小部分泵轴会因冶金和制造工艺问题而失效，如基体材料中未检测到孔隙，退火和/或其他工艺处理不当。一些故障是由于轴加工不当，更小的部分由于设计裕度不足以承受扭矩、疲劳和腐蚀而失效。

对于制造商或者用户来说，另外一个因素是悬臂式泵中的轴挠性系ISF=L3/D4

它表示泵在偏离设计点（最佳效率点或BEP）的情况下，轴由于径向力而会偏转（弯曲）多少。其中，D等于机械密封轴套处的轴径（mm），L为叶轮出口中心线与径向轴承之间的跨距（mm）。

图悬臂泵转子

1.远离BEP工作：偏离泵BEP的允许区域运行可能是导致轴故障的最常见原因。远离BEP工作会产生不平衡的径向力。轴由于径向力而产生的挠度会产生弯曲力，每转两次。例如，以3550 rpm旋转的轴将弯曲7100次/分钟。这种弯曲动态会产生轴拉伸弯曲疲劳。如果挠度的振幅（应变）足够低，大多数轴都能应对多个循环。

2.轴弯曲：轴弯曲问题遵循与上述轴偏转相同的逻辑。从具有高标准/规格的轴直线度的制造商处购买泵和备用轴。尽职调查是审慎的。泵轴的大多数公差在0.0254mm至0.0508mm范围内，测量值为总指示器读数（TIR）。

3.叶轮或转子不平衡：叶轮如果不平衡，泵在运行时会产生“轴窜动”。其影响与轴弯曲和/或偏斜的结果相同，即使停止泵并检查泵轴时，泵轴仍会笔直。可以说，叶轮的平衡对于低速泵和高速泵同样重要。给定时间范围内的弯曲循环次数减少，但位移的振幅（应变）（由于不平衡）保持在与较高速度系数相同的范围内。

4.流体特性：通常，与流体特性有关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。一个例子可能很简单，选择和设计的泵可用于在95 F下泵送4号燃油，然后再用于在35 F下泵送燃油（相差约235厘泊）。比重的增加将导致类似的问题。另请注意，腐蚀将大大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一个不错的选择。

5.变速：扭矩和速度成反比。随着泵的减速，轴扭矩增加。例如，转速为875 rpm的100hp泵所需的扭矩是转速为1,750 rpm的100 hp泵的两倍。除了整个轴的最大制动马力（BHP）限制外，用户还必须检查泵应用中每100 rpm极限所允许的BHP。

6.误用：忽略制造商指南将导致轴问题。如果泵由发动机驱动，而不是电机或汽轮机，则许多泵轴的功率因数会降低，因为间歇性转矩与连续转矩。如果泵不是直接驱动（通过联轴器），如皮带/滑轮或链条/链轮驱动，则轴可能会明显降低。许多自吸式垃圾泵和渣浆泵设计为皮带驱动，因此几乎没有问题。按照ANSI B73.1规范制造的泵不设计为皮带驱动（除非使用千斤顶轴）。ANSI泵可以是皮带或发动机驱动，但最大允许马力大大降低。许多泵制造商提供重型轴作为可选的附件，当根本原因无法纠正时，可以解决该症状。

7.不对中：泵和驱动器之间的不对中，即使是最轻微的不对中也会导致弯矩。通常这个问题表现为在轴断裂前轴承失效。

8.振动：除了未对准和不平衡以外，其他问题引起的振动（例如气蚀，通过的叶片频率，临界速度和谐波）也会对轴造成应力。

9.装配不正确：另一个原因是叶轮和联轴器安装不正确（装配和间隙不正确，无论过紧或过松）。不正确的配合可能导致磨损。轻微磨损导致疲劳破坏。未正确安装的键和/或键槽也会导致该问题。

10.不正确的速度：根据叶轮惯性和皮带驱动器的（圆周）速度限制，存在最大泵速度（例如，通常同意ANSI泵的最大皮带速度为每分钟6,500英尺）。此外，除了增加扭矩问题外，还应注意低速操作，例如洛马金效应的损失

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