大型离心风机叶轮轴与轴承失效分析(1)

作者：石家庄风机　　　　　日期：2014-9-16　　　　　浏览：1565　　　　　

    探讨某火力发电厂风机事故原因, 计算风机轴承在正常工作载荷下的使用寿命, 用 ANSYS 软件对风机轴的应力与临界转速进行分析; 结果表明, 风机轴设计与轴承选用符合设计要求, 风机事故的主要原因是安装时轴承箱对轴与轴承产生了附加载荷.

    某火力发电厂 3 # 、 4 # 一次风机采用离心式通风机, 风机基本结构见图 1 所示。电机额定功率 800 kW, 额定转速 1 480 r/ min。自 1996 年3 #机组投产至 2003 年, 3 # 炉一次风机轴承检修 14次, 更换轴承 20 套, 校轴 2 次。1998 年 4 # 机组投产以来, 4 # 炉一次风机轴承检修 8 次, 更换轴承15 套, 校轴 2 次, 更换轴 1 次。二期一次风机轴承共检修 22 次, 更换轴承 35 套, 校轴 4 次, 更换轴 1 次。轴承的温度高达 116150e , 平均使用寿命为 0. 92 年, 轴弯曲的最大变形达到了 0. 50mm。一次风机是锅炉的重要辅机, 出现事故直接关系到机组的负荷与安全运行, 严重影响了电厂效益与生产计划。

    一次风机事故主要是风机轴与轴承的失效,为了保证一次风机能够安全、 稳定运行, 需要对风机轴与轴承的失效进行分析, 为风机改造提供依据, 提高风机轴与轴承的使用寿命。

    3 # 、 4 # 风机轴承均为德国产的双列向心球面滚子轴承, 外滚圈薄, 滚柱直径, 轴承比压较小, 易于润滑, 而且轴承的金相分析、 成分分析、 硬度测试等方面都符合要求。风机正常工作时, 轴承主要承受轴、 叶轮、 联轴器的重量、 风机工作时的轴向力以及旋转部件的不平衡力, 见图 1 所示。

 

 

 

 

    在制造与安装风机叶片与轴时, 质心与轴线间存在一定的偏移量, 通常要求动平衡试验精度达到 6. 3级, 最大偏心距允许 010406 mm。按偏心距和额定转速计算不平衡载荷( 离心力, 式( 1)中的 mX2e 项) 。根据作用在平衡物体上力的总和为零, 力矩总和为零, 建立方程组:

 

 

 

 

    以上计算结果表明, 轴承的正常使用寿命可以达到 3. 66 年, 远大于实际使用寿命( 平均 0. 92年) 。因此, 在正常载荷条件下, 轴承不会过早失效。实际中, 风机轴承的失效形式主要是损坏与烧毁, 而且两端轴承失效的概率基本相同。载荷过大, 润滑效果不好, 安装不佳( 见 2. 3) 等都可能导致轴承的损坏。

    失效主要发生在轴承 A 附近直径为 115 mm的轴段, 主要的失效形式是弯曲变形, 没有出现裂纹、 撕脱等。由于石家庄风机各轴段直径不一, 存在轴肩, 进行有限元分析时, 无法采用简单的 ANSYS 命令直接进行建模与划分网格 [ 2] 。现根据轴的实际结构与失效部位, 对风机轴模型作如下简化。

1) 风机的轴承为双列向心球面滚子轴承, 刚度较大, 视为刚性支承。

2) 风机轴承要承受一定的轴向载荷, 建立模型时, 在其承受轴向力一侧施加轴向约束。

3) 风机轴的实际弯曲损坏都发生在轴承 A侧附近, 为方便分析, 将另一侧直径变化较小的轴段视为等直径轴段。

4) 为了简化分析模型, 将轴承所受的动载荷转化为静载荷。同时, 将风机叶轮、 联轴器与轴的重量作为外力施加在模型上。