大型離心風(fēng)機(jī)葉輪軸與軸承失效分析（2）

作者：石家莊風(fēng)機(jī)　　　　　日期：2014-9-16　　　　　瀏覽：1868　　　　　

    如圖 2 所示, 對(duì)風(fēng)機(jī)軸模型施加約束與作用力, 進(jìn)行靜力學(xué)分析。根據(jù)電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速, 計(jì)算出輸入轉(zhuǎn)矩為 5 160 N#m。將輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)上, 每個(gè)節(jié)點(diǎn)上作用力的為 448. 00 N。輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為作用在葉輪處的切向載荷, 施加在軸外表面 24@ 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)上, 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的切向力為1 869. 93 N。同時(shí)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(diǎn)上。

    模型的靜力學(xué)分析, 得到通過軸心剖面上的應(yīng)力等值線, 如圖 3 所示。由圖 3 可知, 應(yīng)力集中主要發(fā)生在A 側(cè)軸承附近直徑為115 mm 的軸段上, 此段的最大彎曲正應(yīng)力為 16. 7 MPa, 而軸的彎曲許用應(yīng)力為 230 MPa。軸的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為 22. 3 MPa, 許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為 130 MPa。分析表明, 風(fēng)機(jī)軸強(qiáng)度有一定的裕量, 滿足設(shè)計(jì)要求。

工作時(shí), 風(fēng)機(jī)軸不僅承受軸、 葉輪等的自重,還承受輸入轉(zhuǎn)矩、 軸向沖擊等動(dòng)態(tài)載荷。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到軸的固有臨界轉(zhuǎn)速時(shí), 軸的撓度達(dá)到最大值,處于/ 臨界0狀態(tài), 將產(chǎn)生劇烈的振動(dòng), 導(dǎo)致軸壽命下降, 因此, 對(duì)風(fēng)機(jī)軸進(jìn)行模態(tài)分析是有必要的。建立風(fēng)機(jī)模態(tài)分析模型時(shí), 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(shí)將葉輪看作集中質(zhì)量作用在其幾何中心處。風(fēng)機(jī)軸的模態(tài)分析求得前 5階固有頻率, 如表 1 所列。

 

 

 

 

    由公式( 4) 計(jì)算出軸的前 5 階固有頻率所對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速, 見表 1。計(jì)算結(jié)果表明, 實(shí)際工作時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速只有 1 480 r/ min, 沒有達(dá)到軸的臨界轉(zhuǎn)速, 不會(huì)產(chǎn)生共振。因此, 在正常工作載荷作用下, 風(fēng)機(jī)軸也不會(huì)過早失效。

2. 3 安裝方面原因分析

    電廠大型風(fēng)機(jī)長期處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài), 受力比較復(fù)雜。因此, 不僅要求軸承的選用與軸的強(qiáng)度與剛度符合設(shè)計(jì)要求, 而且現(xiàn)場安裝與維護(hù)也十分重要 [ 3] , 直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。 

 

 

 

 

圖 4 軸承座軸承安裝示意圖 

 

1) 風(fēng)機(jī)軸與軸承安裝時(shí), 采用了紫銅片來調(diào)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。此安裝方法 會(huì)產(chǎn)生以下問題。

( 1) 軸承箱蓋和軸承底座的結(jié)合面處產(chǎn)生縫隙, 當(dāng)緊固螺栓鎖緊時(shí)導(dǎo)致滾道、 保持架變形, 導(dǎo)致保持架與滾動(dòng)體、 內(nèi)圈的配合不佳, 引起軸承受到過大的附加安裝力;

( 2) 導(dǎo)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(chǎn)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(shí)達(dá)到最大值, 導(dǎo)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(chǎn)生彎曲的主要原因。

2) 風(fēng)機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)后, 風(fēng)機(jī)葉片上粘結(jié)了大量不均勻的灰塵, 引起風(fēng)機(jī)軸( 包括葉片) 質(zhì)心偏移,產(chǎn)生附加的不平衡載荷。

3) 安裝時(shí), 軸承箱體 A 與軸承箱體 B 上的軸承座孔如果對(duì)中不良, 將導(dǎo)致軸承的中心線不在同一軸線上, 在軸承處產(chǎn)生附加力矩, 使軸承與軸承受附加彎曲作用力。

4) 原結(jié)構(gòu)中兩軸承的跨距過大, 也是造成軸承過早失效的原因之一。

1) 在正常工作載荷作用下, 軸的設(shè)計(jì)與軸承的選用均符合要求, 且有一定的裕量, 能滿足風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)的要求。

2) 軸與軸承過早失效是安裝過程中產(chǎn)生的附加作用力所致。安裝時(shí)采用墊片調(diào)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(dǎo)致風(fēng)機(jī)軸彎曲。