轴失效的根本原因是什么?

图1:杨氏模量的表达式(图片由作者提供)

我经常和泵主交谈，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)。我提供这个专栏作为对这个主题的对位讨论。

在我2017年2月的专栏中，我讨论了悬垂泵轴在使用中断裂的主要原因。BETVICTOR体育官网通常情况下，轴会断裂，因为泵被要求做一些它没有设计的事情。根本原因失效分析(RCFA)通常揭示由于轴偏转过大而导致的疲劳失效。疲劳失效也称为旋转反弯曲疲劳失效。轴偏转是可预防的结果，泵在错误的曲线区域和/或不良的维护选择。这种常见的失效模式有一些例外，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，它们在统计上接近六西格玛水平。也就是说，每100万个机会(DPMO)中有3.4个缺陷，或者认为99.99966%的轴是没有缺陷的。减少轴偏转将延长泵的使用寿命，降低拥有成本和提高可靠性。

轴的设计

在设计泵轴时，有一长串的要求需要考虑。所有希望继续经营的可靠的泵制造商都将根据正常启动和运行因素设计轴，尽管少数制造商通常会有较高的扰动条件和安全裕度。经济性将驱动设计师必须考虑的关键参数，这些参数至少包括扭矩、速度、各种应力(如键座几何形状和位置)、圆角半径、表面光洁度、液压载荷、部件重量和轴承位置/跨度。

作为额外的强调，我想指出，轴直径主要是由预期/所需的扭矩量决定的。泵轴的设计是很难计算和制造的选择，因为需要不同的直径来容纳组件的组装和维护。

除了上述因素外，在您决定适用的轴材料之前，还应考虑温度、pH值和泵中悬浮物的百分比。更多具体信息请参考我2017年2月的专栏和/或列出的参考文献。

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。您的泵轴可能是不同的材料，但它可能具有相似的机械，热，电和化学(合金成分)性能。

此外，要意识到所有材料在某种程度上都是有弹性的。当考虑橡胶和塑料等弹性体时，我们很容易理解这个概念，但当涉及到金属时，我们很少想到弹性——然而所有的金属都是有弹性的。

杨氏模——什么是模?

模量这个词有拉丁词根，我向我的拉丁老师Bruenig女士表示诚挚的歉意，大致翻译过来就是测量或测量的意思。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，它另有含义。在冶金学中，我们认为它是两条不同曲线斜率的比值。

注:对于材料科学，有三种类型的模。

体积弹性模量:应力与物体体积减少分数的比值或材料抗压缩能力的衡量标准。

剪切模量:单位面积上的切向力与物体角变形的比值，或材料抗剪切变形的能力。剪切模量是剪切应力与剪切应变的比值。

与此柱的弹性模量(杨氏模量)密切相关杨氏模量是拉伸应力与拉伸应变的比值或纵向应力与应变的比值。

对于我们的一般目的和外行术语，我们可以简单地将杨氏模量视为一个比率(技术上的比率没有单位)，更重要的是，它告诉泵设计者，在一定的应力下，轴材料是否会弯曲、变形或断裂。

杨氏模量表示为E，其中E =应力÷应变。(应力只是单位面积上的力，应变是长度上的微分变化[变形]量。)

见图1。

杨氏模量是弹性的量度，不应与强度、韧性或硬度混淆。由于最常见的轴材料都具有相似的杨氏模量值，由于一些有害的问题而改变材料的决定本身很少是纠正轴故障根本原因的解决方案。不同的轴材料选择在耐腐蚀性、硬度和抗拉强度方面有不同的性能，如果轴没有过度偏转，特定的选择可能更适合您的应用。

杨氏模量本质上是材料的弹性性质，也就是说，在它断裂之前你能弯曲多少次?弹性是一种材料的特性，表明它在变形后如何恢复到原来的形状。从技术上讲，更重要的是，在超过材料的极限之前，在数十万次循环中，每次循环可以弯曲多少?这也被称为“耐力极限”，当轴断裂时，我们在材料工程中开玩笑地(书呆子幽默)将其称为不小心超过了“古德曼线”。

如果你调查一下这八种最常用的泵轴材料，你会发现在硬度、强度和耐腐蚀性等性能上存在一些差异。你还会注意到所有材料的杨氏模量值都在相同的范围内。唯一的例外是钛，它的价值更高。

杨氏模量的平均值(英制习惯单位)(磅/平方英寸[psi])

316-SS 29.0 x 10⁶ψ

17-4 PH 28.0 x 10⁶ψ

4140 28.5 x 10⁶ψ

CD4MCu 29.0 x 10⁶ψ

对于SI单位(公制国际单位制)，psi单位的值将转换为大约190至195吉帕斯卡(GPa)。有时单位表示为牛顿每平方米(N/m²)．

轴偏转(弯曲)

运行中的泵轴偏转是三个主要因素的结果。首先，轴是弯曲的。任何超过0.0025英寸到0.003英寸跳动的轴都应该更换。

第二个原因是转子不平衡。不平衡通常不是一个问题与轴，但它将与叶轮，这就是为什么它总是一个聪明的想法，以平衡叶轮。至少达到国际标准化组织(ISO) 1940级6.3级或更高。由不平衡叶轮引起的轴偏转被称为“抽动”。

第三个原因是泵在远离允许/首选操作区域(A/POZ)时产生的径向推力。请注意，这三个问题可能同时出现。

减少挠度的一个简单步骤是使用实心轴代替套筒轴。当然，这需要转向墨盒式机械密封，并不是所有的运营商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择，以减轻偏转。减小挠度不仅可以避免轴的疲劳失效，还可以延长机械密封的使用寿命。大多数密封制造商要求密封表面的偏差小于0.002英寸，以获得成功的密封寿命。详见我2016年2月的专栏。减少挠度的另一个好处是延长轴承寿命。

要意识到轴每转一圈就会发生两次轴偏转。因此，泵运行在3550转每分钟(rpm)将偏转7100次每分钟。有关计算径向推力的详细信息，请参阅我在2021年1月专门讨论这一主题的专栏。

轴偏转系数

悬挑泵的最后一个也是最重要的因素是轴悬臂和相应的挠度，简单地称为轴的“L / D比”(适当地表述BETVICTOR体育官网为L^3.÷D⁴或L^3./ D⁴)．式中L为叶轮中心线到径向轴承中心的轴向距离，D为轴的直径。该比值由静力学中使用的悬臂梁挠度公式推导并简化。我不打算在这个专栏中推导公式，但我将广泛地说明这种关系，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)。这是一个复杂得多的计算/推导。

见图2和图3。

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)工作时，由于径向液压力，轴将偏转(弯曲)多少。L / D比值实际上只适用于悬架泵。BETVICTOR体育官网

我假设轴失效不能简单地通过材料选择来防止，但可以通过几何决策来减轻。

轴失效最常见的形式是疲劳。疲劳是由于过多的轴偏转，这是径向液压载荷，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)的狭窄范围。因此，仅仅改变轴材料来防止/减轻轴断裂不一定是一个谨慎的决定。如果解决了根本的操作因素，泵的可靠性就会提高。

参考文献

机械工程设计(第五版)，Joseph Shigley和Charles Mischke

《根本原因失效分析——理解机械故障》，Neville Sachs著

组件是如何失败的，(ASM出版物)Donald Wulpi

静力学(工程师力学)第三版，F. Beer，和E.R. Johnson

API标准610(第11版)附录K