大型離心風機葉輪軸與軸承失效剖析
關鍵詞：離心風機 葉輪 發(fā)布時間：2013-10-17 點擊數(shù)：1649
某火力發(fā)電廠 3# 、 4# 一次風機采用離心風機, 風機基本結構見圖 1 所示。電機額定功 率 800 kW, 額定轉速 1 480 r/ min。自 1996 年3# 機組投產至 2003 年, 3# 爐一次風機軸承檢修 14 次, 更換軸承 20 套, 校軸 2 次。1998 年 4# 機組 投產以來, 4# 爐一次風機軸承檢修 8 次, 更換軸 承15 套, 校軸 2 次, 更換軸 1 次。二期一次風機 軸承共檢修 22 次, 更換軸承 35 套, 校軸 4 次, 更 換軸 1 次。軸承的溫度高達 116150e , 平均使用 壽命為 0. 92 年, 軸彎曲的最大變形達到了 0. 50
mm。一次風機是鍋爐的重要輔機, 出現(xiàn)事故直 接關系到 機組的負荷與安全運行, 嚴重影響了電廠效益與 生產計劃。 2 失效分析
一次風機事故主要是風機軸與軸承的失效, 為了保證一次風機能夠安全、穩(wěn)定運行, 需要對風 機軸與軸承的失效進行分析, 為風機改造提供依 據(jù), 提高風機軸與軸承的使用壽命。 2. 1 軸承壽命分析 3 # 、 4 # 風機軸承均為德國產的雙列向心球面 滾子軸承, 外滾 圈薄, 滾柱直徑 大, 軸承比壓較 小, 易于潤滑, 而 且軸承的金相分 析、成分分析、硬 度測試等方面都 符合要求。 風機正常工 作時, 軸承主要 承受軸、葉輪、聯(lián) 軸器的重量、風機工作時的軸向力以及旋轉部件 的不平衡力, 見圖 1 所示。
.jpg)
在制造與安裝風機葉片與軸時, 質心與軸線 間存在一定的偏移量, 通常要求動平衡試驗精度 達到 6. 3級, 最大偏心距允許 010406 mm。按偏 心距和額定轉速計算不平衡載荷( 離心力, 式( 1) 中的 mX2e 項) 。根據(jù)作用在平衡物體上力的總 和為零, 力矩總和為零, 建立方程組:
.jpg)
式中: RA、 RB ))) 軸承承受的徑向力, N; X))) 風機轉速, rad/ s; GB、 GC、 GD ))) 聯(lián)軸器、葉輪、風機軸的重 力, N; mB、 mC、 mD ))) 聯(lián)軸器、葉輪、風機軸的質 量, kg; 求解(1)得 RA= 12 132.4 N , RB= 5 713. 4 N。 由于 RA> RB, 且軸承 A 還承受較大的軸向 載荷, 所以僅需計算軸承 A 的壽命。計算當量動 載荷時, 需要考慮軸承A 承受徑向力 RA、軸向力 FA 以及轉矩與沖擊載荷的影響。軸承承受的當 量動載荷(1)為: P= f m#f d( X#RA+ Y#FA) (2) 式中 f m ))) 轉矩載荷系數(shù), 取值 1. 5; f d ))) 沖擊載荷系數(shù), 取值 1. 2; X 、Y ))) 軸承徑向力、軸向力的載荷系 數(shù), X= 0. 67, Y= 4. 1。 由公式(2)求得當量動載荷 P= 43 416. 9 N 。 由當量載荷計算軸承的壽命 L 10= [ 106/ (60n) ]#( C/ P) E (3) 式中: C ))) 基本額定動載, 取值 470 000 N; L 10 ))) 基本額定壽命, h; E))) 壽命指數(shù), 滾子軸承 E= 10/ 3。 由公式(3)求得軸承壽命 L 10= 3. 162@104 h。 以上計算結果表明, 軸承的正常使用壽命可 以達到 3. 66 年, 遠大于實際使用壽命( 平均 0. 92 年) 。因此, 在正常載荷條件下, 軸承不會過早失 效。實際中, 風機軸承的失效形式主要是損壞與 燒毀, 而且兩端軸承失效的概率基本相同。載荷 過大, 潤滑效果不好, 安裝不佳( 見 2. 3) 等都可能 導致軸承的損壞。
風機軸失效的有限元分析 失效主要發(fā)生在軸承 A 附近直徑為 115 mm 的軸段, 主要的失效形式是彎曲變形, 沒有出現(xiàn)裂 紋、撕脫等。由于各軸段直徑不一, 存在軸肩, 進 行有限元分析時, 無法采用簡單的 ANSYS 命令 直接進行建模與劃分網格[ 2] �，F(xiàn)根據(jù)軸的實際 結構與失效部位, 對風機軸模型作如下簡化。 1) 風機的軸承為雙列向心球面滾子軸承, 剛 度較大, 視為剛性支承。 2) 風機軸承要承受一定的軸向載荷, 建立模 型時, 在其承受軸向力一側施加軸向約束。 3) 風機軸的實際彎曲損壞都發(fā)生在軸承 A 側附近, 為方便分析, 將另一側直徑變化較小的軸 段視為等直徑軸段。 4) 為了簡化分析模型, 將軸承所受的動載荷 轉化為靜載荷。同時, 將風機葉輪、聯(lián)軸器與軸的 重量作為外力施加在模型上。 根據(jù)以上簡化原則, 先生成風機軸的軸向平 面, 并對該面上的線段進行尺寸設置, 用以控制實 體網格單元的大小, 再將平面繞中心軸旋轉生成 實體, 然后對實體劃分網格。模型采用 ANSYS 中的 SOLID45 單元, 總共生成 17 659 個節(jié)點, 15 624個 SOLID45 單元見圖 2。
.jpg)
圖 2 軸的有限元網格與邊界條件圖 風機軸的材料為 45 號鋼, 其彈性常數(shù)為 2. 1 @1011 N/ m2, 泊松比 0. 3, 密度 7 800 kg/ m3。 2. 2. 1 靜力學分析 如圖 2 所示, 對風機軸模型施加約束與作用 力, 進行靜力學分析。根據(jù)電機功率與轉速, 計算 出輸入轉矩為 5 160 N#m。將輸入轉矩轉化為作 用在聯(lián)軸器處的切向載荷, 施加在軸外表面 24@ 8個節(jié)點上, 每個節(jié)點上作用力的為 448. 00 N。 輸出轉矩轉化為作用在葉輪處的切向載荷, 施加 在軸外表面 24@ 1 個節(jié)點上, 每個節(jié)點的切向力 為1 869. 93 N。同時將軸向力、聯(lián)軸器、軸與葉輪 的重力分別施加在各幾何中心的節(jié)點上。 模型的靜力學分析, 得到通過軸心剖面上的
應力等值線, 如圖 3 所示。由圖 3 可知, 應力集中 主要發(fā)生在A 側軸承附近直徑為115 mm 的軸段 上, 此段的最大彎曲正應力為 16. 7 MPa, 而軸的 彎曲許用應力為 230 MPa。軸的最大扭轉剪應力 為 22. 3 MPa, 許用扭轉剪應力為 130 MPa。分析 表明, 風機軸強度有一定的裕量, 滿足設計要求。
圖 3 A 側附近軸段的等值應力分布圖
.jpg)
2. 2. 2 動力學分析( 模態(tài)分析) 工作時, 風機軸不僅承受軸、葉輪等的自重, 還承受輸入轉矩、軸向沖擊等動態(tài)載荷。當轉速 達到軸的固有臨界轉速時, 軸的撓度達到最大值, 處于/ 臨界0狀態(tài), 將產生劇烈的振動, 導致軸壽命 下降, 因此, 對風機軸進行模態(tài)分析是有必要的。 建立風機模態(tài)分析模型時, 在軸承的兩端施加徑 向約束, 并在軸承 A 處施加軸向約束, 同時將葉 輪看作集中質量作用在其幾何中心處。風機軸的 模態(tài)分析求得前 5階固有頻率, 如表 1 所列。
.jpg)
由固有頻率計算相應的臨界轉速 n= 60 f （式中: f 為振動頻率, Hz; n 為轉速, r/ min）。 由公式( 4) 計算出軸的前 5 階固有頻率所對 應的臨界轉速, 見表 1。計算結果表明, 實際工作 時風機轉速只有 1 480 r/ min, 沒有達到軸的臨界 轉速, 不會產生共振。因此, 在正常工作載荷作用 下, 風機軸也不會過早失效。 2. 3 安裝方面原因分析 電廠大型風機長期處于高速運轉狀態(tài), 受力 比較復雜。因此, 不僅要求軸承的選用與軸的強 度與剛度符合設計要求, 而且現(xiàn)場安裝與維護也 十分重要[ 3] , 直接關系到風機安全運轉。
1) 風機軸與軸承安裝時, 采用了紫銅片來調
圖 4 軸承座軸承安裝示意圖整軸承座孔與軸承 間的配合間隙, 紫銅 片厚度約為 0. 6 mm, 見圖4。
.jpg)
此安裝方法 會 產生以下問題。
( 1) 軸承箱蓋和 軸承底座的結合面 處產生縫隙, 當緊固 螺栓鎖緊時導致滾 道、保持架變形, 導 致保持架與滾動體、內圈的配合不佳, 引起軸承受 到過大的附加安裝力;
( 2) 導致箱體軸承孔與軸承外圈接觸不良, 散熱效果不佳, 軸承溫度升高、膨脹、損壞、甚至咬 合, 產生附加作用力。附加載荷隨著咬合范圍的 增加而增大, 咬死時達到最大值, 導致軸的彎曲變 形加大, 軸的彎曲又加快了軸承的損壞。
由此可見軸承損壞是軸產生彎曲的主要原因。
2) 風機長期運轉后, 風機葉片上粘結了大量 不均勻的灰塵, 引起風機軸( 包括葉片) 質心偏移, 產生附加的不平衡載荷。
3) 安裝時, 軸承箱體 A 與軸承箱體 B 上的軸 承座孔如果對中不良, 將導致軸承的中心線不在 同一軸線上, 在軸承處產生附加力矩, 使軸承與軸 承受附加彎曲作用力。
4) 原結構中兩軸承的跨距過大, 也是造成軸 承過早失效的原因之一。
3 結論
1) 在正常工作載荷作用下, 軸的設計與軸承 的選用均符合要求, 且有一定的裕量, 能滿足風機 正常工作時的要求。 2) 軸與軸承過早失效是安裝過程中產生的附 加作用力所致。安裝時采用墊片調整軸承與軸承 座孔間間隙, 使軸承散熱效果變差、溫度升高, 加 速了軸承的磨損與燒壞, 導致風機軸彎曲。
常州市（無錫）文順風機有限公司產品齊全，主要產品有：高、中、低離心風機、引風機；各種軸流風機；水泥立窯專用高壓離心風機；化鐵爐高壓離心風機；化鐵企業(yè)替代進口的不銹鋼風機；空調專用風機；各種除塵、耐磨、防腐、非標等特種風機近三十個系列，三百多種規(guī)格的產品。
公司各類通用、專業(yè)設備齊全，工藝先進，技術力量雄厚，性能測試運用微機電腦處理。
常州市文順風機有限公司
Changzhou Wenshun Wind Machine Co., Ltd.
電話：0519-88726638
傳真：0519-88726638
手機：13601517069
網址：www.kesudai.com
郵箱：ws@wsfengji.com
地址：江蘇省常州市橫林鎮(zhèn)新東方村工業(yè)園（殷坂）