前言

泵故障的最大原因之一是與轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)相關(guān)的問題。如今，泵通常被設(shè)計(jì)為以更高的速度和負(fù)載運(yùn)行，以提高效率。這些運(yùn)行的變化，要求在設(shè)計(jì)階段特別注意轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析。這包括對泵的軸承、密封和其它部件的模擬。

有許多泵類型可用于工業(yè)應(yīng)用。這些泵可根據(jù)設(shè)計(jì)、工作原理、特殊功能、工作流體特性、配置（離心式、軸向、螺桿、螺旋式、容積式）等進(jìn)行分類。對于每種類型的泵，在建模和分析轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)方面都存在挑戰(zhàn)。另一方面，對于每臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)器，許多轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方法和原理都是相似的。

本文將重點(diǎn)介紹兩種基本類型的離心泵：臥式泵和立式泵，在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承和密封模擬方面的常見方法和差異。

立式與臥式泵：設(shè)計(jì)差異

立式泵和臥式泵之間的主要區(qū)別在于軸的方向和形狀。臥式泵有一根水平放置的軸，位于軸承之間或懸臂式位置。立式泵中的軸垂直放置。最常見的立式泵類型是立式渦輪泵 。立式泵（例如VTP）通常具有長而像意大利面條一樣的軸，這些軸通過聯(lián)軸器連接到電機(jī)（上方或下方），并由頂部或底部的推力軸承支撐。立式泵的另一個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)是影響泵動(dòng)態(tài)特性的柱管殼體。這些設(shè)計(jì)規(guī)范在如何進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模和立式泵分析方面有所不同。

立式泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的不同之處

靈活性

立式泵具有較長的軸，具有更大的靈活性。這些柔性軸具有密集模態(tài)和密集的頻率范圍。在這種情況下，可能會(huì)發(fā)生振幅升高的共振振動(dòng)，特別是當(dāng)泵在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)。

立式泵（直管）的殼體結(jié)構(gòu)也很靈活。考慮到這一點(diǎn)，在計(jì)算中間徑向軸支架的剛度特性時(shí)，應(yīng)考慮管殼的靈活性以及碗狀組件。此外，立式泵的殼體結(jié)構(gòu)由于其靈活性可能會(huì)經(jīng)歷高振動(dòng)，因此還應(yīng)分析直管的頻率。

軸向力

由位于機(jī)器頂部的推力軸承支撐的立式懸吊泵，承受由重力載荷產(chǎn)生的軸向拉力。相反，如果推力軸承放置在機(jī)器底部，則軸上會(huì)產(chǎn)生壓縮力。葉輪的推力對軸的拉力和剛度的貢獻(xiàn)更大。所有這些力都會(huì)改變轉(zhuǎn)子彎曲剛度、固有頻率和臨界速度，因此在機(jī)器投入運(yùn)行之前，通過轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析來考慮這些因素非常重要。

軸承和密封

軸承是任何泵中最關(guān)鍵的部件之一。軸承支撐軸，并通過保持轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)來減少泵運(yùn)動(dòng)部件上的摩擦。軸承還為轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)帶來剛度和阻尼。用于泵的軸承可分為徑向（在橫向支撐軸）和軸向（適用于軸向負(fù)載）。泵應(yīng)用中最常見軸承類型是球軸承和滾子軸承、流體動(dòng)壓油膜（巴氏合金）徑向軸承和瓦塊式推力軸承（軸向推力負(fù)載支撐）。

在泵的環(huán)境下，密封同樣重要。與軸承一樣，泵密封是轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)剛度、阻尼和額外“質(zhì)量”系數(shù)的來源，這些系數(shù)會(huì)改變整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。與剛性支撐系統(tǒng)相比，帶有軸承和密封的系統(tǒng)泵的固有頻率有所不同。

與臥式泵相比，立式泵的軸承-密封系統(tǒng)建模不同。一個(gè)區(qū)別是，在立式泵中支撐長軸的徑向軸承的數(shù)量可能很多。在許多情況下，泵中大量的級(jí)數(shù)會(huì)增加軸承的數(shù)量 - 軸承的總數(shù)可能達(dá)到數(shù)十個(gè)。

第二個(gè)區(qū)別，可能比上述更重要，是立式泵中的徑向軸承負(fù)載較輕（徑向沒有重力），這使得動(dòng)態(tài)軸承系數(shù)的估算更加復(fù)雜。無負(fù)載圓柱軸承是立式泵穩(wěn)定性問題的一個(gè)原因。因此，非線性分析對于準(zhǔn)確評估具有長軸和無負(fù)載軸承的立式泵的轉(zhuǎn)子性能至關(guān)重要。

最后，在大多數(shù)是VTPs的浸沒式泵中，軸承處于加壓環(huán)境中，并由泵送介質(zhì)潤滑，通常帶有污染物。此外，泵送介質(zhì)混合物可能會(huì)改變成分，并且泵的運(yùn)行工況（轉(zhuǎn)速）通常是可變的。因此，這些徑向軸承會(huì)遭受加速磨損，并且考慮到應(yīng)用工況的隨機(jī)特性，對其特性的預(yù)測很復(fù)雜。最壞情況模型方法可用于預(yù)測動(dòng)力學(xué)和可靠性，以避免嚴(yán)重故障。

無論泵類型如何，都應(yīng)考慮哪些影響？

有些領(lǐng)域的分析是相似的。在立式和臥式泵的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析中應(yīng)考慮的其它一些重要影響包括：

1）由于葉輪和蝸殼之間的間隙分布不均勻，葉輪位置產(chǎn)生的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)徑向載荷

2）應(yīng)在葉輪位置引入的慣性和水力不平衡力

3）葉輪和軸上的有效附加質(zhì)量

4）干、濕和泵送介質(zhì)工況，以及軸承和密封分析時(shí)考慮的“新”間隙和“磨損”間隙

5）Lomakin效應(yīng)：在離心泵內(nèi)耐磨環(huán)和節(jié)流襯套上產(chǎn)生的力

6）與大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械相似的其它一般效果和技術(shù)，并在美國石油學(xué)會(huì)(API) 684標(biāo)準(zhǔn)中提出

雖然對臥式泵和立式泵進(jìn)行建模和分析的方法通常相似，但立式泵具有其自身的一系列特點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析以及軸承和密封仿真更加復(fù)雜。立式泵的主要挑戰(zhàn)與結(jié)構(gòu)和運(yùn)行規(guī)范有關(guān)，包括：

1）長軸

2）級(jí)數(shù)多

3）其軸承和密封

4）無負(fù)載徑向軸承

5）重力引起的軸向力

由于這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)，立式渦輪泵更容易出現(xiàn)振動(dòng)問題和結(jié)構(gòu)/壽命問題。這可能會(huì)讓處理此類泵的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析師頭疼。幸運(yùn)的是，今天的工程師可以使用可用于解決這些令人頭疼的數(shù)字工具。通過先進(jìn)的仿真軟件、動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)出版物，可以對這些影響進(jìn)行建模和分析，以確保設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。