垂直泵与水平泵轴承与转子动力学分析BETVICTOR体育官网

水泵故障的最大原因之一是转子轴承系统的问题。如今，泵通常被BETVICTOR体育官网设计成以更高的速度和负载运行，以提高效率。这些运行要求要求在设计阶段特别注意转子动力学分析。这包括轴承、密封和泵的其他部件的模拟。

有许多类型的泵可用于工业应用。这些泵可以根BETVICTOR体育官网据设计、工作原理、特殊特性、工作流体特性、配置(离心、轴向、螺杆、螺旋、正排量)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。另一方面，许多转子动力学方法和原理是相似的每一个旋转机器。

本文将重点介绍两种基本类型的泵:卧式泵和立式泵，没有进一步的设计说明，概述转子动力学、轴承和BETVICTOR体育官网密封模拟的常见方法和差异。

垂直泵与水平泵:设计差异BETVICTOR体育官网

立式泵和卧式泵的主要区别是轴的方向和形状。BETVICTOR体育官网卧式泵有一个水平放置的轴(顶部图像)，在轴承或悬垂位置之间。立式泵中的轴是垂直定位的。最常见的垂直泵类型是垂直涡轮泵(VTP) -图2。垂直泵(如VTPsBETVICTOR体育官网)通常有长长的意大利面状轴，通过联轴器连接到电机(上面或下面)，并在顶部或底部由推力轴承支撑。立式泵的另一个设计特点是影响泵动态特性的柱管套管。BETVICTOR体育官网这些设计规范对如何进行转子动力学建模和垂直泵分析产生了影响。

是什么使垂直泵转子动力学不同?

灵活性

立式泵具有较长的轴BETVICTOR体育官网，因此具有更大的灵活性。这些柔性轴具有紧密间隔的模态和密集的频率范围。在这种情况下，可能会发生振幅升高的共振振动，特别是如果泵在大范围的转速下运行。BETVICTOR体育官网

立式泵(管)的壳体结构也很灵活。BETVICTOR体育官网考虑到这一点，在计算中间径向轴支架的刚度特性时，应考虑管套的灵活性以及碗状组件。此外，立式泵的套管结构由于其灵活性，可能会经历较高的振动，因此也应分析管道的频率。

轴向力

悬臂式垂直泵由位于机器顶部的推力轴承BETVICTOR体育官网支撑，由重力载荷产生轴向拉力。相反，如果推力轴承被放置在机器的底部，压缩力沿轴作用。来自叶轮的推力是一个甚至更高的贡献轴张力和加强。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是很重要的。

轴承和密封件

轴承是任何泵最关键的部件之一。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上的摩擦。轴承也给转子轴承系统带来刚度和阻尼。用于泵的轴承可分为径向(在横向上支撑轴)和轴向(适用于BETVICTOR体育官网轴向载荷)。泵应用中最常见的轴承类型是球轴承和滚子轴承，流体动力油膜(巴氏)滑动轴承和枢轴瓦轴承(轴向推力负载支撑)。

在泵的环境中，密封件同样重要。BETVICTOR体育官网与轴承一样，泵密封也是转子-轴承系统刚度、阻尼和附加“质量”系数的来源，这些系数会改变整个系统的动力学。与刚性支承系统相比，带有轴承和密封系统的泵的固有频率是不同的。

与水平泵相比，垂直泵的轴承-密封系统的建模不同。BETVICTOR体育官网一个区别是，在垂直泵中支持长轴的径向轴承的数量可能很高。BETVICTOR体育官网在许多情况下，泵中大量的级(例如螺旋级/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给出了需要建模多少元素才能获得准确的转子动态结果的想法。长轴，增加的公差和不对准与客观上大量的径向轴承的组合可能导致轴承刚度的快速非线性变化，其中轴线接近轴承壁。

第二个区别，可能比上面更重要的是，垂直泵的径向轴承是轻负荷的(径向没有重力)，这使得动态轴承系数的估计更加复杂。BETVICTOR体育官网空载圆柱轴承是垂直泵稳定性问题的一个原因。BETVICTOR体育官网因此，非线性分析对于准确评估长轴和空载轴承垂直泵的转子性能至关重要。BETVICTOR体育官网

最后，在水下泵(主要是VTPs)中，轴承处于BETVICTOR体育官网加压环境中，并由工艺流体润滑，通常带有污染物。此外，工作流体混合物可能会改变组成，泵的工作条件(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征，其特性的预测是复杂的。最坏情况模型方法可以用来预测动态和可靠性，以避免临界故障。

不论泵的类型，应考虑哪些影响?

有些领域的分析是类似的。在垂直和水平泵的转子动力学分析中，还应考虑其他一些重要的影响:BETVICTOR体育官网

• 由于叶轮与蜗壳间隙分布不均匀，叶轮位置产生的静态和动态径向载荷
• 应在叶轮位置引入惯性力和水力不平衡力
• 叶轮和沿轴的有效附加质量
• 干、湿和工艺流体条件，以及轴承和密封分析时考虑的“新”和“磨损”间隙
• 洛马金效应:在离心泵内的磨损环和节流套上产生的力
• 其他与大多数旋转机械相似的一般效果和技术，并在美国石油学会(API) 684标准中提出²

尽管水平泵和垂直泵的建模和分析方法通常相似，但垂直泵有自己的一组特征，这使得转子动力学分析、轴承和密封模拟更加复杂。BETVICTOR体育官网立式泵的主要挑战与结构和操作规范有关，包括:BETVICTOR体育官网

• 长轴
• 很多阶段
• 轴承和密封件
• 空载径向轴承
• 重力引起的轴向力

由于这些设计特点，垂直涡轮泵更容易出现振动问题和结构/寿命问题。BETVICTOR体育官网这可能导致转子动力学分析师谁是处理这类泵头痛。BETVICTOR体育官网幸运的是，今天的工程师可以使用数字工具来解决这些头疼的问题。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，以确保安全可靠的运行。

参考文献

1. 中国生物医学工程学报，684,2019。API标准段落。转子动力学教程:横向临界速度，不平衡响应，稳定性，列车扭转和转子平衡，美国石油学会，华盛顿特区，美国。
2. 生物化学学报，2010。石油、石化和天然气工业离BETVICTOR体育官网心泵，美国石油学会，华盛顿特区，美国。
3. SoftInWay转子动力学和轴承用户手册:softinway.com/software-applications/rotor-dynamics/