泵故障的最大原因之一是与转子轴承系统相关的问题。如今，泵通常设计为以更高的速度和负载运行以提高效率。这些运行要求在设计阶段特别注意转子动力学分析。这包括模拟轴承、密封件和泵的其他组件。

有多种泵类型可用于工业应用。这些泵可以根据设计、工作原理、特殊功能、工作流体的特性、配置（离心式、轴向式、螺杆式、螺旋式、容积式）等进行分类。对于每种类型的泵，在建模和分析转子轴承系统方面都存在挑战。在硬币的另一面，许多转子动力学方法和原理对于每台旋转机器都是相似的。

本文将重点介绍两种基本类型的泵：卧式和立式，在没有进一步说明设计的情况下，概述转子动力学、轴承和密封件模拟方面的常见方法和差异。

立式与卧式泵：设计差异

立式泵和卧式泵的主要区别在于轴的方向和形状。卧式泵有一个水平放置的轴（上图），位于轴承或悬臂位置之间。立式泵中的轴垂直定位。最常见的立式泵类型是立式涡轮泵 (VTP) — 图 2。立式泵（如 VTP）通常具有长的、意大利面条状的轴，这些轴通过联轴器连接到电机（上方或下方）。立式泵的另一个设计特点是影响泵动态特性的柱管外壳。这些设计规范对如何处理转子动力学建模和立式泵分析产生了影响。

是什么让立式泵的转子动力学有所不同？

灵活性

立式泵具有长轴，可提高灵活性。这些柔性轴具有紧密间隔的模式和密集的频率范围。在这种情况下，可能会发生振幅升高的共振振动，尤其是当泵在宽范围的转速下运行时。

立式泵（管）的外壳结构也很灵活。考虑到这一点，在计算中间径向轴支撑的刚度特性时，应考虑管壳的柔韧性以及转鼓组件。此外，立式泵的外壳结构由于其柔韧性可能会经历高振动，因此还应分析管道的频率。

轴向力

由位于机器顶部的推力轴承支撑的悬臂立式泵承受由重力载荷产生的轴向拉力。相反，如果推力轴承放置在机器底部，则压缩力沿轴作用。叶轮的推力对轴张力和刚度的贡献更大。所有这些力都会改变转子的弯曲刚度、固有频率和临界速度，因此在机器投入运行之前，通过转子动力学分析来考虑这些因素非常重要。

轴承和密封件

轴承是泵中最关键的部件之一。轴承支撑轴并通过保持转子的平稳旋转来减少泵运动部件的摩擦。轴承还为转子轴承系统带来刚度和阻尼。用于泵的轴承可分为径向（横向支撑轴）和轴向（适用于轴向载荷）。泵应用中最常见的轴承类型是滚珠和滚子轴承、流体动力油膜（巴氏合金）轴颈轴承和枢轴瓦轴承（轴向推力载荷支撑）。

在泵产品中，密封件同样重要。与轴承一样，泵密封件是转子轴承系统的刚度、阻尼和附加“质量”系数的来源，它们会改变整个系统的动力学。与刚性支撑系统相比，带有轴承和密封系统的泵的固有频率不同。

与卧式泵相比，立式泵的轴承密封系统建模有所不同。一个区别是在立式泵中支撑长轴的径向轴承数量可能很大。在许多情况下，泵中的大量级（例如螺旋/螺旋级类型）会增加轴承和密封件的数量——轴承和密封件的总数可能达到几十个。图 4 显示了需要对多少元素进行建模才能获得准确的转子动态结果。长轴、增加的公差和错位与客观上大量的径向轴承相结合，可能会导致轴承中的轴承刚度发生快速、非线性的变化，其中轴线靠近轴承壁。

第二个区别，可能比上述更重要，是立式泵中的径向轴承负载较轻（径向没有重力），这使得动态轴承系数的估计更加复杂。空载圆柱轴承是立式泵稳定性问题的一个原因。因此，非线性分析对于准确评估具有长轴和无负载轴承的立式泵的转子行为至关重要。

最后，在大部分为 VTP 的潜水泵中，轴承处于加压环境中并由过程流体润滑，通常带有污染物。此外，工作流体混合物可能会改变成分，并且泵的运行条件（转速）通常是可变的。因此，这些径向轴承经历加速磨损，考虑到应用条件的随机特性，对其特性的预测很复杂。最坏情况模型方法可用于预测动力学和可靠性以避免严重故障。

无论泵类型如何，都应考虑哪些影响？

有些领域的分析是相似的。在立式和卧式泵的转子动力学分析中应该考虑的一些其他重要影响是：

由于叶轮和蜗壳之间的间隙分布不均匀而在叶轮位置产生的静态和动态径向载荷

应在叶轮位置引入的惯性和水力不平衡力

叶轮和沿轴的有效附加质量

干、湿和工艺流体条件，以及在轴承和密封分析期间考虑的“新”和“磨损”间隙

Lomakin 效应：在离心泵内的磨损环和节流衬套处产生的力

美国石油学会 (API) 684 标准中介绍的与大多数旋转机器相似的其他一般效果和技术2

尽管卧式泵和立式泵的建模和分析方法通常相似，但立式泵具有自己的一组特性，使转子动力学分析以及轴承和密封件模拟更加复杂。在立式泵中发现的主要挑战与结构和操作规范有关，包括：

长轴

大量的阶段

它的轴承和密封件

无负载向心轴承

重力引起的轴向力

由于这些设计特点，立式涡轮泵更容易出现振动问题和结构/寿命问题。这可能会让处理这类泵的转子动力学分析师头疼。幸运的是，今天的工程师可以使用数字工具来解决这些问题。通过先进的仿真软件、动力学标准和技术出版物（例如下面的参考文献 1 和 2），可以对这些影响进行建模和分析，以确保安全可靠地运行。