LF—47E 凉水塔风机传动轴断裂原因浅析

申军煜

沧州渤海石化工程有限公司 河北沧州 061000

1 概况

沧州渤海石化工程有限公司动力分厂2# 凉水塔风机在运转过程中突然发生断裂，所幸发现及时，没有对减速箱、电机和联轴节等造成大的损坏。风机的传动结构如图1 所示。联轴器将电机和减速箱连接在一起，减速箱（机）带动扇叶做功进行冷却。联轴器由传动轴、半联轴器、弹性柱销等组成。传动轴是重要的传动部件。该风机的传动轴是用Φ76mm×4mm 的20# 碳素钢无缝钢管制成，长度约2475mm。

图1 风机传动结构示意图

该风机型号为LF—47E，转速为1450r/ min，功率为30kW，厂家为保定螺旋浆厂。目前动力分厂共有该类型风机约25 台，此次传动轴断裂，有一定的突发性和普遍性，应该引起重视，因此有必要对其断裂原因进行分析和研究。以下从运行环境、检修质量、静态受力的强度、刚度，以及旋转状态下的扭振等几个方面分别进行分析、探讨。

2 原因分析

2.1 外界因素

2.1.1 运行环境

LF 型风机系凉水塔专用的轴流式风机，长期连续工作在湿热的环境中，工作环境比较恶劣。风机经过长时间的运行，减速箱体锈蚀严重；联轴器虽然涂有防锈漆，但有的部位漆已脱落，这样就很容易产生斑点锈蚀。此次传动轴的断裂处周围防锈漆全部脱落，经测量截面轴径已由原来的Φ76mm×4mm 减少到Φ75mm×3mm。从图1 中可以看出，断裂处位于风筒附近,距离电机端820mm 左右。传动轴穿过一个Φ200mm 左右的孔与减速箱、电机相连。检修时，传动轴难免与风筒（玻璃钢材质）擦碰，因而防锈漆很容易脱落；风机在运行时，热气流上升，形成一定的真空，而外面的空气从Φ200mm 左右的孔流入，再加上潮湿的环境，锈蚀不可避免。

2.1.2 检修质量

联轴器的找正对传动轴的寿命有较大影响。联轴器对中不良很容易引起振动，继而传动轴动挠度增大，降低传动轴的使用周期，缩短传动轴的使用寿命。根据有关规范标准，该风机的同轴度要求：径向允差≤0.12mm；轴向允差≤0.12mm。后经实际测量校验，径向偏差0.15mm、轴向偏差0.14mm，超出要求数值，检修不合格。

2.1.3 备件质量

风机传动轴由空心钢管与连接法兰对焊在而成，空心钢管的中心线与法兰的中心线及法兰的端面垂直度很容易产生偏差。这个偏差若超出标准，很容易引起传动轴的周期性振动，影响传动轴的使用寿命。检验法兰端面与中心线的垂直度、同心度发现，垂直度：0°，1°；90°，0.5°。同心度：0.2mm。

2.2 静力分析

分别以减速箱和电机作为支点，将传动轴简化为当量长度（l）为2.5m 的简支梁，如图2 所示。传动轴在运转过程中受到扭转载荷和弯曲载荷的共同作用。由转速和功率可以计算出传递的扭矩（T）为197.6 N·m；最大弯矩（Mmax）发生在传动轴的中间横截面上，即x=l 处，Mmax=54.3N·m；但断裂处位于x≈l 处，所以弯矩（M）计算式见式（1）[1]。

图2 传动轴的静力计算示意图

式中：M——弯矩，N·m；

q——重量载荷，N/ m；

l——当量长度，m；

取q=69.6N/ m，x=l 带入公式（1），得M=48.33N·m。

2.2.1 强度校核

扭转载荷对应的扭转剪应力计算见式（2）。

式中：τ——扭转剪应力，MPa；

WT——抗扭截面模量，m3。

将WT=23.93×10-6带入公式，得τ=8.26MPa。

弯曲载荷对应的弯曲应力计算见式（3）。

式中：σ——弯曲应力，MPa；

WZ——抗弯截面模量，m3。

将WZ=11.96×10-6带入公式（3），得σ=4.04 MPa。

按照第三强度理论计算等效应力（σeq）见式（4）。

20# 碳钢的许用应力[σ]=130MPa，因此传动轴的强度满足要求。

2.2.2 刚度校核

最大弯曲经挠度（ymax）发生在传动轴的中间截面上，其计算公式见式（5）[1]。

式中：E——材料的弹性模量，GPa；

IZ——横截面对Z 轴的惯性矩，m4。

断裂处的弯曲静挠度（y）计算见式（6）[1]。

将IZ=588106.14×10-12m4、E=200GPa 等带入公式（5）和（6），得ymax=0.30mm,yx=2/3l=0.26mm。而许用挠度[y]=0.0001L=0.25mm，yx=2/3l＞[y]，因此挠度不够。

最大转角（θ）发生在传动轴的端面[1]，其计算式见式（7）。

许用转角[θ]=0.001 弧度，因此θ＜[θ]。

断裂处的扭转角（φ）计算见式（8）[1]。

式中：IP——横截面对轴心的极惯性矩，m4；

G——材料的剪切弹性模量，GPa。

将IP=880971.7×10-12m4、G=80GPa 等数值代入公式（8），得φ=0.161 °/ m。

而许用扭转角[φ]=0.25～0.50°/ m，因此φ＜[φ]。

通过计算可以看出，该传动轴在静力载荷的作用下，强度和刚度均满足要求。

2.3 动力分析

2.3.1 横向振动

将传动轴简化成两端简支的等截面直杆，则对应任意阶振型的自然振动频率（fi）计算见式（9）[2]。

式中：fi——第i 阶振型的频率，次/ s；

L——传动轴的等效长度，m；

ρ——材料密度，kg/ m3；

A——横截面面积，m2。

当i=1 时，f1=204 次/ s，一阶临界转速（ncr1）的计算见式（10）。

传动轴的横向振动示意图见图3。传动轴在运转过程中存在着由于轴重心的偏移而引起的干扰力（P=P0sinωt），如图3 所示。因此在计算传动轴的动挠度时，干扰力是周期性变化的。

图3 传动轴的横向振动示意图

在干扰力的作用下，简支梁的挠曲线方程见式（11）[2]。

式中：P0——偏心力，N；

ω——转动角速度，rad/ s；

a——系数，a=

假设偏心距为e，干扰力P=ρAleω2sinωt。当s=l时，梁有最大动挠度，且发生在中间横截面上（x=l），即得到式（12）。

断裂处（x=l）的动挠度计算见式（13）。

取i=1、2、3、4、5，计算得ydmax=2.50e，yx=2/3l=1.93e。

由计算结果可以看出，偏心距越大，动挠度越大。

2.3.2 扭振

将传动轴简化成两端带有圆盘的转轴，如图4 所示。

图4 传动轴简化图

由于扭振不存在干扰力，因此转轴的一阶自然振动频率（f1）计算公式见式（14）[2]：

式中：f1——扭振一阶自然振动频率，次/ s；

m、n——转动惯量比，m=n=I1/I0=I2/I0=1.12；

带入公式（14），得f1=251 次/ s，则扭振的一阶临界转速ncr1=60f1/ 2π=2400 r/ min。而风机的工作转速为1450 r/ min，远远低于临界转速，因此不会发生扭转振动。

3 改进措施

由于运行环境恶劣，若条件允许，可更换传动轴的材质为1Cr18Ni9Ti。

从公式（5）可知，y 与IZ有关。因此增大传动轴的外径，IZ即可增大；

从公式（9）和（13）可知，横向振动的一阶临界转速和动挠度与有关，可得式（15）。

若要提高临界转速，降低动挠度，只需增大外径即可，不必增加壁厚。另外，降低动挠度还需减小偏心距，必须对传动轴做严格的动平衡。对于目前LF—47E 使用的碳素钢传动轴，根据其许用挠度，传动轴自身的偏心和检修引起的偏心之和不得大于0.13 mm。传动轴的界面尺寸与临界转速、动挠度的关系见表1。

表1 传动轴在不同截面的临界转速与动挠度

从表1 中可以看出，传动轴的外径愈大，临界转速愈大，动挠度愈小；而壁厚对临界转速和动挠度的影响较小。

4 结语

（1）静力校核时强度满足要求，刚度不够，需要增大。

（2）传动轴的临界转速较低，动挠度较大，可通过增大外径、减小偏心距来达到提高临界转速、减小动挠度的目的。

（3）尽量避免传动轴的腐蚀。

（4）检修前必须对传动轴做严格的动平衡。根据风机的使用状况，建议动平衡精度等级为G2.5。

（5）在传动轴的加工制作工艺中，采取有效措施，尽可能减少传动轴的中心与法兰的中心、端面垂直度的偏差。

（6）检修时确保电机与减速箱的同轴度符合要求。

另外，电机运行状态、温差应力（按温差?t=20℃，应力可达32MPa）、疲劳积累损伤等因素对传动轴的寿命也有一定的影响，在此不再赘述。