前言

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（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一解决方案。通过解决其它运行因素，终用户将体验到更高的可靠性。

轴断裂的常见原因是（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：关于牛顿流体与非牛顿流体的讨论，《泵沙龙》中有所介绍。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