前置泵膜片联轴器疲劳失效原因分析

顾勇，吴刚，闫哲

（华电江苏能源有限公司句容发电厂，江苏 镇江 212400）

0 引言

膜片联轴器是一种全金属干式扰性联轴器［1］，它通过较薄的高强度合金钢或不锈钢片产生弹性变形来实现联轴器的扰性传动，在轴向和角向有较大扰度，能补偿两轴3个方向（轴向、径向、角向）的相对位移，并有一定的吸振、减振作用，使联轴器可以吸收两侧传动轴的不对中和冲击，特别适用于高速、重载的场合。其结构简单、装卸方便、无需润滑与维护，具有耐酸、耐热等特点，因而广泛应用于航空、航舰、石油化工、机械制造等领域。

华电江苏能源有限公司句容发电厂前置泵联轴器下面的地面上曾发现有少量不锈钢碎片，后经检查确定该碎片来自膜片联轴器，随后立即申请降负荷停泵，连夜更换膜片联轴器，更换之后前置泵运行稳定，振动正常。膜片联轴器的失效会造成旋转设备振动加大甚至损坏，严重影响机组安全生产，更换前需要停设备、减出力，影响机组的经济性，因此，对膜片联轴器失效原因进行分析，有助于深入且准确分析膜片受力情况和故障原因，为有效预防和解决失效提供理论保障。

图1 前置泵膜片联轴器结构

1 膜片联轴器主要结构及应力分析

1.1 膜片联轴器结构

前置泵膜片联轴器结构如图1所示，其工作原理为：扭矩从主动轴（电机侧）法兰通过螺栓、膜片组传递到中间段短节，再从中间段通过螺栓膜片组传递到从动轴（汽泵侧）。该膜片联轴器除了可以传递扭矩外，还可以通过膜片的弹性变形来补偿各种工况下的不对中。膜片联轴器的破坏大多是由膜片断裂破坏引起的，因此，只要膜片破损就认为该联轴器已经失效，所以膜片是重点研究的零部件。

1.2 膜片联轴器应力分析

膜片组是膜片联轴器的关键元件，由于联轴器中其他零件的刚度比膜片大得多，所以可将膜片的刚度视为联轴器的刚度。设备运行时膜片作为弹性元件，所承受的负荷形式及应力形式见表1。在使用过程中，膜片组要承受离心力，扭矩，轴向偏移和径向、角向偏移这4种负荷引起的应力作用，其中离心力和扭矩引起的应力最为主要［2］，本文重点分析和比较它们的变化对应力大小的影响及影响程度。

表1 膜片承受的负荷形式及应力形式

（1）膜片受扭矩产生的应力。设传递扭矩为T，总膜片数量为n，主动螺栓孔数量为Z，螺栓孔半径为R，假设膜片所受拉、压应力平均分到每层膜片上，仅考虑一片膜片受扭矩产生的应力时，应力F＝T／（ZRn）。前置泵膜片组为8孔螺栓，因此主动螺栓孔数量为4，即每个主螺栓上所受的力为 F＝T／（4nR）。

（2）离心应力。假定螺栓与膜片的材料相同，可计算出各自的质量，根据所处的位置和螺旋角度，可计算出离心应力，该应力作用在总质心上。

（3）轴向偏移引起的弯曲应力。由于在轴线方向上存在安装误差，使得膜片沿轴线方向发生弯曲变形，通过轴线位移的大小可以求出弯曲应力的大小。

（4）径向、角向偏移引起的弯曲应力。由于轴线角向存在安装误差，使膜片沿轴线方向发生周期性弯曲变形，它是引起膜片疲劳失效的主要原因，通过倾斜角度可以求出弯曲应力的大小。

根据理论分析和计算，在螺栓孔附近应力梯度较大，而远离螺栓孔的地方应力变化较缓，所以螺栓孔附近是容易发生断裂的危险部位，这与实际情况中螺栓孔附近膜片有部分损坏脱落的情况一致。

2 膜片联轴器失效原因分析

2.1 膜片受压失稳和受拉断裂

膜片受压失稳是膜片失效的一种常见故障，由材料力学可知，若受压膜片承受最大扭矩时的应力大于临界应力，膜片将丧失其原有直线形状的平衡，而变为微弯状态。

膜片受拉断裂是更为常见的故障，现场发现联轴器膜片螺栓孔附近的危险截面处非常容易断裂。对受拉膜片进行受力分析发现：在四边受拉且载荷分布均匀的情况下，膜片不会发生拉断破坏失效；若载荷分布不均匀，则有可能在收拉膜片的过程中出现若干膜片被拉断的现象。在中心长时间不对中的情况下工作，如果中心偏差超过了联轴器补偿的范围，则膜片联轴器会受到峰值扭矩，其中4组受压膜片组失稳，另外4组受拉膜片将承担全部扭矩，所受拉力倍增。如果膜片长时间处于非均匀受力状态，部分膜片两端螺栓孔内侧应力超过材料的曲服极限，导致其被拉断破坏，由于承载膜片数量逐步减少并且受力不均，原先所受应力较低的膜片也将随之被拉断，随后整组膜片都将被拉断。

膜片联轴器工作时，分别会受到扭矩引起的叠面应力，轴线偏斜而引起的弯曲应力，螺栓与膜片质量通过旋转产生的离心应力以及膜片径向、角向偏移引起的弯曲应力等。叠面应力会使螺栓产生剪切应力；弯曲应力使螺栓产生拉伸或压缩应力，且轴每旋转1周应力循环交变1次；离心力使螺栓产生剪切应力，且随转速而变化。结合句容发电厂前置泵膜片联轴器失效方式可知，螺栓孔附近膜片受到交变应力和复合应力的循环作用，最终发生疲劳断裂。

2.2 前置泵膜片联轴器失效分析

结合句容发电厂前置泵膜片联轴器失效损坏和变形的具体情况，通过分析基建时期冷态对中数据及泵运行的振动数据，总结出可能引起膜片联轴器疲劳失效的主要原因。

（1）由于电机和水泵不是同一机座（未采用整体式共用底座），电机侧基础沉降引起联轴器径向偏差大。

（2）联轴器中间短节用绝缘段（防轴电流）连接，降低了联轴器短节的整体强度。

（3）膜片联轴器膜片质量有问题。

由于供货商已有不少供货业绩，并且其他厂运行状态基本良好，基本可以排除第2、第3个原因，所以，由于基础沉降而引起不对中造成联轴器失效的可能性比较大。

联轴器装配不对中是引起膜片联轴器失效的主要原因之一，也是引起旋转机械异常振动的主要原因。联轴器不对中主要有角偏斜和平行不对中2种形式，平行不对中可以转化为角偏斜形式的不对中。装配中不可避免地会产生轴之间的不对中，即使开始时对中情况良好，设备运行一段时间后，由于地基沉降等原因，联轴器仍然会出现不对中情况。如果不对中情况严重，将会导致设备振动加剧，如果振动不大，也不能说明中心没有任何问题，只能说明膜片联轴器的补偿功能发生了作用，将设备振动控制在合理范围内。如果中心偏差继续扩大，膜片损坏情况继续加重，巡检没有及时发现并处理，膜片补偿功能会迅速减弱，泵体振动会加大甚至造成停泵事故，所以泵体振动情况是检验膜片是否损坏的重要检查项目，在机组运行中应作为重点监测手段。

在发现句容发电厂前置泵联轴器周围地面有少量不锈钢碎片时，前置泵自由端和传动端振动均正常，最大振动值为0.014mm，说明联轴器膜片起到了补偿作用，损坏还不严重，但如果长时间在这种情况下运行，不及时采取处理措施，膜片损坏会越来越严重，前置泵振动必然会增大。

3 处理方法

上述分析表明，联轴器中心偏差是引起膜片联轴器失效的重要因素，同时也会引起泵体振动增大，基于这2点，结合现场实际情况提出以下解决办法。

（1）将前置泵膜片联轴器检查及冷态中心校验、调整工作列为机组大修的重点项目，做好数据记录及分析工作。

（2）将前置泵联轴器检查（地面有无碎片）及前置泵振动监测作为巡回检查的重点项目，出台专项巡检措施。

4 结束语

本文在学习和总结已有膜片联轴器结构和受力分析的基础上，针对句容发电厂前置泵膜片联轴器失效做了理论分析，讨论了可能引起失效的原因和依据，最后结合现场实际情况提出了处理方法。现场实践已逐见成效，表明理论分析和工程实际结合较好，提出的方案能够优化设备监测参数和检修项目，改善了巡查和检修效果，为机组的安全生产提供了保障。

［1］卫冬生，徐筱欣，钟凯.大功率膜片联轴器扭转强度计算研究［J］.机械传动，2006，30（6）：7-8.

［2］华军，许庆余，张亚红.膜片联轴器膜片应力计算及疲劳寿命分析［J］.机械科学与技术，2000，19（2）：203-206.