轴故障的根本原因是什么？
我经常与泵所有者交谈，他们认为轴故障的根本原因仅仅是材料的强度（或缺乏强度）。我把这篇文章作为一个对等的话题。
在我 2017 年 2 月的专栏中，我讨论了悬臂泵轴停止使用的主要原因。通常轴会断裂，因为泵被要求做一些它不是为它设计的事情。根本原因失效分析 (RCFA) 通常会揭示由于过度轴偏转导致的疲劳失效。疲劳失效也称为由于旋转的反向弯曲疲劳而导致的失效。轴偏斜是在错误的曲线区域运行泵和/或维护选择不当的可预防结果。这种常见故障模式有一些例外，例如冶金缺陷和/或制造过程中的错误。
错误确实会发生，但对于大多数制造商来说，错误发生的数量在统计上接近 6 Sigma 水平。也就是说，每 100 万次机会 (DPMO) 中出现 3.4 个缺陷，或者将其视为所有轴的 99.99966% 都没有缺陷。减少轴偏转将体现在更长的泵寿命、更低的拥有成本和更高的可靠性上。
图 1：杨氏模量的表达式（图片由作者吉姆埃尔西提供）
轴设计
在设计泵轴时需要考虑很多。所有希望继续经营的可靠泵制造商都将针对正常启动和运行因素设计轴，尽管数量较少的泵制造商通常会在异常情况和安全裕度方面具有更高的裕度。经济因素将驱动设计人员必须考虑的关键参数，其中至少包括扭矩、速度、各种应力，例如键座几何形状和位置、圆角半径、表面光洁度、液压负载、组件重量和轴承位置/跨度。
作为补充强调，我想指出轴直径主要取决于预期/所需的扭矩量。由于装配和维护组件所需的各种直径，泵轴设计提出了困难的计算和制造选择。
除上述因素外，在决定适合您的应用的轴材料之前，请考虑温度、pH 值和泵送液中悬浮固体的百分比。请参阅我 2017 年 2 月的专栏和/或列出的参考资料以获取更多具体信息。
材料
常见的轴材料包括奥氏体 304 和 316 不锈钢、马氏体 410 和 416 不锈钢、CD4MCu 双相钢、碳钢 1040 和 1045、合金钢 4140 和沉淀硬化马氏体不锈钢 17-4 PH。您的泵轴可能采用不同的材料，但可能具有相似的机械、热、电气和化学（合金成分）特性。
此外，要意识到所有材料在某种程度上都是有弹性的。在考虑橡胶和塑料等弹性体时，我们很容易理解这个概念，但在谈到金属时，我们很少想到弹性——但所有金属都是弹性的。
杨氏模量——什么是模量？
模数这个词有拉丁词根，向我的拉丁语老师布鲁尼格夫人表示诚挚的歉意，粗略地翻译它的意思是测量或测量。在数学领域，它是绝对值的另一种说法。在物理学中，模量是一个常数因子或比率。在计算机科学中，它意味着别的东西。在冶金学中，我们认为它是两个不同曲线斜率的比值。
注意：对于材料科学，有三种类型的模量。
体积模量：应力与主体体积的分数减少之比或衡量材料抗压缩能力的指标。
剪切模量：单位面积的切向力与物体角变形的比率或材料对剪切变形的抵抗力。剪切模量是剪切应力与剪切应变的比值。
非常密切相关并且对于该系列的弹性模量（又名杨氏模量）：杨氏模量是拉伸应力与拉伸应变的比率或纵向应力与应变的比率。
对于我们的一般通俗地说，我们可以将杨氏模量简单地视为一个比率（从技术上讲，比率没有单位），更重要的是，它告诉泵设计者，轴材料在给定的情况下是否会弯曲、变形或断裂。
杨氏模量表示为 E。其中 E = 应力 ÷ 应变。
见图 1。
杨氏模量是弹性的量度，不应与强度、韧性或硬度相混淆。由于最常见的轴材料都具有相似的杨氏模量值，因此由于某些有害问题而改变材料的决定本身很少能解决轴故障的根本原因。不同的轴材料选择将具有不同的耐腐蚀性、硬度和抗拉强度特性，如果轴没有过度偏转，特定选择可能更适合您的应用。
杨氏模量本质上是材料的弹性特性——也就是说，在它断裂之前你可以弯曲多少次？弹性是一种材料属性，表明它在变形后如何将其恢复到原来的形状。从技术上讲，更重要的是，在超过材料的极限之前，您可以在数十万次循环中将其弯曲多远？这也被称为“耐力极限”，当轴确实断裂时，我们在材料工程中开玩笑将其称为意外超过“古德曼线”。
如果你调查八种最常用的泵轴材料，你会发现硬度、强度和耐腐蚀性能的一些差异。您还会注意到，所有材料的杨氏模量值都在同一范围内。一个例外是钛，它具有更高的价值。
英制单位的杨氏模量平均值（磅/平方英寸 [psi]）
316-SS 29.0 x 106 磅/平方英寸
17-4 PH 28.0 x 106 磅/平方英寸
4140 28.5 x 106 磅/平方英寸
CD4MCu 29.0 x 106 磅/平方英寸
对于 SI 单位（公制国际单位制），psi 单位的值将转换为大约 190 到 195 吉帕斯卡 (GPa)。有时单位表示为牛顿每平方米 (N/m 2 )。
轴挠度（弯曲）
运行泵中的轴偏转是三个主要因素的结果，任何跳动超过 0.0025 英寸至 0.003 英寸的轴都应更换。
第二个原因是转子不平衡。不平衡通常不是轴的问题，而是叶轮的问题，这就是为什么平衡叶轮总是一个聪明的主意。至少达到国际标准化组织 (ISO) 1940 6.3 级或更好的平衡。来自不平衡叶轮的轴偏转称为“鞭状”。
第三个原因是泵在远离允许/首选工作区 (A/POZ) 的位置运行时产生的径向推力未减弱。请注意，所有这三个问题都可以同时出现。
图 2：悬臂泵的 L/D 比
减少偏转的一个简单步骤是使用实心轴代替套筒轴。当然，这需要转向集装式机械密封，并不是所有的操作员和应用程序都能适应这一决定。此外，许多泵制造商提供更大直径轴的选项以减轻偏转。减少挠度不仅可以使轴免于疲劳失效，还可以延长机械密封寿命。大多数密封件制造商要求密封面的挠度小于 0.002 英寸，才能获得成功的密封件寿命。有关详细信息，请参阅我的 2016 年 2 月专栏。减少偏转的另一个好处是延长轴承寿命。
实现轴每转一圈发生两次轴偏转。因此，以每分钟 3,550 转 (rpm) 运行的泵每分钟将偏转 7,100 次。有关计算径向推力的详细信息，请参阅我在 2021 年 1 月专门讨论此主题的专栏。
轴挠度系数
悬臂泵的最后一个也是最重要的一个因素是轴的悬臂量和相应的偏转量，简称为轴的“L/D 比”（正确表述为 L 3 ÷ D 4或 L 3 /D 4）。其中 L 是从叶轮中心线到径向轴承中心的轴向距离，D 是轴的直径。该比率是从静力学中使用的悬臂梁偏转公式推导出和简化的。我不打算推导本专栏中的公式，但我将大致说明这种关系并指出挠度公式中的一个主要因素是弹性模量 E（杨氏模量）。这是一个更复杂的计算/推导。
参见图 2 和图 3。
图 3：L 与 D 比率的统计公式
L/D比也称为“长细比”或“轴刚度比”。它表示当泵在远离设计点（最佳效率点或 BEP）运行时，由于径向液力，轴将偏转（弯曲）多少。L/D 比实际上只适用于悬臂泵。
我假设轴故障不能简单地通过材料选择来预防，但可以通过几何决策来缓解。
最常见的轴失效形式是疲劳。疲劳是由于过度的轴偏转，这是径向液压负载、转子平衡和轴刚度的函数。轴的强度对刚度几乎没有影响。刚度是弹性模量（杨氏模量）和 L/D 比（几何尺寸）的函数。
常见的轴材料都属于杨氏模量 (29 x 106 psi) 的严格值范围。因此，仅改变轴材料以防止/减轻轴断裂并不一定是一个谨慎的决定。如果您解决根本原因操作因素，您将体验到更高的泵可靠性。
参考
机械工程设计（第 5 版），Joseph Shigley 和 Charles Mischke
根本原因故障分析——了解机械故障，Neville Sachs
组件如何失效，（ASM 出版物）Donald Wulpi
静力学（工程师力学）第 3 版，F. Beer 和 ER Johnson
API 标准 610（第 11 版）附录 K
本文作者Jim Elsey 是一名机械工程师，在全球工业和船舶应用的旋转设备方面拥有 50 多年的经验。他是某著名泵企业的工程顾问，同时也是一泵企业的负者人，是美国机械工程师协会、全美腐蚀工程师协会和海军潜艇联盟的活跃成员。
