泵故障的最大原因之一是與轉子軸承系統(tǒng)相關的問題。如今，泵通常設計為以更高的速度和負載運行以提高效率。這些運行要求在設計階段特別注意轉子動力學分析。這包括模擬軸承、密封件和泵的其他組件。

有多種泵類型可用于工業(yè)應用。這些泵可以根據(jù)設計、工作原理、特殊功能、工作流體的特性、配置（離心式、軸向式、螺桿式、螺旋式、容積式）等進行分類。對于每種類型的泵，在建模和分析轉子軸承系統(tǒng)方面都存在挑戰(zhàn)。在硬幣的另一面，許多轉子動力學方法和原理對于每臺旋轉機器都是相似的。

本文將重點介紹兩種基本類型的泵：臥式和立式，在沒有進一步說明設計的情況下，概述轉子動力學、軸承和密封件模擬方面的常見方法和差異。

立式與臥式泵：設計差異

立式泵和臥式泵的主要區(qū)別在于軸的方向和形狀。臥式泵有一個水平放置的軸（上圖），位于軸承或懸臂位置之間。立式泵中的軸垂直定位。最常見的立式泵類型是立式渦輪泵 (VTP) — 圖 2。立式泵（如 VTP）通常具有長的、意大利面條狀的軸，這些軸通過聯(lián)軸器連接到電機（上方或下方）。立式泵的另一個設計特點是影響泵動態(tài)特性的柱管外殼。這些設計規(guī)范對如何處理轉子動力學建模和立式泵分析產生了影響。

是什么讓立式泵的轉子動力學有所不同？

靈活性

立式泵具有長軸，可提高靈活性。這些柔性軸具有緊密間隔的模式和密集的頻率范圍。在這種情況下，可能會發(fā)生振幅升高的共振振動，尤其是當泵在寬范圍的轉速下運行時。

立式泵（管）的外殼結構也很靈活?？紤]到這一點，在計算中間徑向軸支撐的剛度特性時，應考慮管殼的柔韌性以及轉鼓組件。此外，立式泵的外殼結構由于其柔韌性可能會經(jīng)歷高振動，因此還應分析管道的頻率。

軸向力

由位于機器頂部的推力軸承支撐的懸臂立式泵承受由重力載荷產生的軸向拉力。相反，如果推力軸承放置在機器底部，則壓縮力沿軸作用。葉輪的推力對軸張力和剛度的貢獻更大。所有這些力都會改變轉子的彎曲剛度、固有頻率和臨界速度，因此在機器投入運行之前，通過轉子動力學分析來考慮這些因素非常重要。

軸承和密封件

軸承是泵中最關鍵的部件之一。軸承支撐軸并通過保持轉子的平穩(wěn)旋轉來減少泵運動部件的摩擦。軸承還為轉子軸承系統(tǒng)帶來剛度和阻尼。用于泵的軸承可分為徑向（橫向支撐軸）和軸向（適用于軸向載荷）。泵應用中最常見的軸承類型是滾珠和滾子軸承、流體動力油膜（巴氏合金）軸頸軸承和樞軸瓦軸承（軸向推力載荷支撐）。

在泵產品中，密封件同樣重要。與軸承一樣，泵密封件是轉子軸承系統(tǒng)的剛度、阻尼和附加“質量”系數(shù)的來源，它們會改變整個系統(tǒng)的動力學。與剛性支撐系統(tǒng)相比，帶有軸承和密封系統(tǒng)的泵的固有頻率不同。

與臥式泵相比，立式泵的軸承密封系統(tǒng)建模有所不同。一個區(qū)別是在立式泵中支撐長軸的徑向軸承數(shù)量可能很大。在許多情況下，泵中的大量級（例如螺旋/螺旋級類型）會增加軸承和密封件的數(shù)量——軸承和密封件的總數(shù)可能達到幾十個。圖 4 顯示了需要對多少元素進行建模才能獲得準確的轉子動態(tài)結果。長軸、增加的公差和錯位與客觀上大量的徑向軸承相結合，可能會導致軸承中的軸承剛度發(fā)生快速、非線性的變化，其中軸線靠近軸承壁。

第二個區(qū)別，可能比上述更重要，是立式泵中的徑向軸承負載較輕（徑向沒有重力），這使得動態(tài)軸承系數(shù)的估計更加復雜。空載圓柱軸承是立式泵穩(wěn)定性問題的一個原因。因此，非線性分析對于準確評估具有長軸和無負載軸承的立式泵的轉子行為至關重要。

最后，在大部分為 VTP 的潛水泵中，軸承處于加壓環(huán)境中并由過程流體潤滑，通常帶有污染物。此外，工作流體混合物可能會改變成分，并且泵的運行條件（轉速）通常是可變的。因此，這些徑向軸承經(jīng)歷加速磨損，考慮到應用條件的隨機特性，對其特性的預測很復雜。最壞情況模型方法可用于預測動力學和可靠性以避免嚴重故障。

無論泵類型如何，都應考慮哪些影響？

有些領域的分析是相似的。在立式和臥式泵的轉子動力學分析中應該考慮的一些其他重要影響是：

由于葉輪和蝸殼之間的間隙分布不均勻而在葉輪位置產生的靜態(tài)和動態(tài)徑向載荷

應在葉輪位置引入的慣性和水力不平衡力

葉輪和沿軸的有效附加質量

干、濕和工藝流體條件，以及在軸承和密封分析期間考慮的“新”和“磨損”間隙

Lomakin 效應：在離心泵內的磨損環(huán)和節(jié)流襯套處產生的力

美國石油學會 (API) 684 標準中介紹的與大多數(shù)旋轉機器相似的其他一般效果和技術2

盡管臥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組特性，使轉子動力學分析以及軸承和密封件模擬更加復雜。在立式泵中發(fā)現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)與結構和操作規(guī)范有關，包括：

長軸

大量的階段

它的軸承和密封件

無負載向心軸承

重力引起的軸向力

由于這些設計特點，立式渦輪泵更容易出現(xiàn)振動問題和結構/壽命問題。這可能會讓處理這類泵的轉子動力學分析師頭疼。幸運的是，今天的工程師可以使用數(shù)字工具來解決這些問題。通過先進的仿真軟件、動力學標準和技術出版物（例如下面的參考文獻 1 和 2），可以對這些影響進行建模和分析，以確保安全可靠地運行。