大型离心风机叶轮轴与轴承失效分析（2）
作者：石家庄风机 日期：2014-9-16 浏览：1841
2. 2. 1 静力学分析
如图 2 所示, 对风机轴模型施加约束与作用力, 进行静力学分析。根据电机功率与转速, 计算出输入转矩为 5 160 N#m。将输入转矩转化为作用在联轴器处的切向载荷, 施加在轴外表面 24@8个节点上, 每个节点上作用力的为 448. 00 N。输出转矩转化为作用在叶轮处的切向载荷, 施加在轴外表面 24@ 1 个节点上, 每个节点的切向力为1 869. 93 N。同时将轴向力、 联轴器、 轴与叶轮的重力分别施加在各几何中心的节点上。
模型的静力学分析, 得到通过轴心剖面上的应力等值线, 如图 3 所示。由图 3 可知, 应力集中主要发生在A 侧轴承附近直径为115 mm 的轴段上, 此段的最大弯曲正应力为 16. 7 MPa, 而轴的弯曲许用应力为 230 MPa。轴的最大扭转剪应力为 22. 3 MPa, 许用扭转剪应力为 130 MPa。分析表明, 风机轴强度有一定的裕量, 满足设计要求。
2. 2. 2 动力学分析( 模态分析)
工作时, 风机轴不仅承受轴、 叶轮等的自重,还承受输入转矩、 轴向冲击等动态载荷。当转速达到轴的固有临界转速时, 轴的挠度达到最大值,处于/ 临界0状态, 将产生剧烈的振动, 导致轴寿命下降, 因此, 对风机轴进行模态分析是有必要的。建立风机模态分析模型时, 在轴承的两端施加径向约束, 并在轴承 A 处施加轴向约束, 同时将叶轮看作集中质量作用在其几何中心处。风机轴的模态分析求得前 5阶固有频率, 如表 1 所列。
由公式( 4) 计算出轴的前 5 阶固有频率所对应的临界转速, 见表 1。计算结果表明, 实际工作时风机转速只有 1 480 r/ min, 没有达到轴的临界转速, 不会产生共振。因此, 在正常工作载荷作用下, 风机轴也不会过早失效。
2. 3 安装方面原因分析
电厂大型风机长期处于高速运转状态, 受力比较复杂。因此, 不仅要求轴承的选用与轴的强度与刚度符合设计要求, 而且现场安装与维护也十分重要 [ 3] , 直接关系到风机安全运转。
图 4 轴承座轴承安装示意图
1) 风机轴与轴承安装时, 采用了紫铜片来调整轴承座孔与轴承间的配合间隙, 紫铜片厚度约为 0. 6 mm,见图4。此安装方法 会产生以下问题。
( 1) 轴承箱盖和轴承底座的结合面处产生缝隙, 当紧固螺栓锁紧时导致滚道、 保持架变形, 导致保持架与滚动体、 内圈的配合不佳, 引起轴承受到过大的附加安装力;
( 2) 导致箱体轴承孔与轴承外圈接触不良,散热效果不佳, 轴承温度升高、 膨胀、 损坏、 甚至咬合, 产生附加作用力。附加载荷随着咬合范围的增加而增大, 咬死时达到最大值, 导致轴的弯曲变形加大, 轴的弯曲又加快了轴承的损坏。由此可见轴承损坏是轴产生弯曲的主要原因。
2) 风机长期运转后, 风机叶片上粘结了大量不均匀的灰尘, 引起风机轴( 包括叶片) 质心偏移,产生附加的不平衡载荷。
3) 安装时, 轴承箱体 A 与轴承箱体 B 上的轴承座孔如果对中不良, 将导致轴承的中心线不在同一轴线上, 在轴承处产生附加力矩, 使轴承与轴承受附加弯曲作用力。
4) 原结构中两轴承的跨距过大, 也是造成轴承过早失效的原因之一。
3 结论
1) 在正常工作载荷作用下, 轴的设计与轴承的选用均符合要求, 且有一定的裕量, 能满足风机正常工作时的要求。
2) 轴与轴承过早失效是安装过程中产生的附加作用力所致。安装时采用垫片调整轴承与轴承座孔间间隙, 使轴承散热效果变差、 温度升高, 加速了轴承的磨损与烧坏, 导致风机轴弯曲。
