LF-47E凉水塔风机传动轴断裂原因浅析.pdf

rquipment&Installation装置与安装LF47E i?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0 6 10 0 0摘要从传动轴的静力特性、动力特性和稳定性三个方面进行分析，找出传动轴破坏的原因，并制定了改进和预防措施。关键词传动轴环境静力特性动力特性稳定性中图分类号TE682文献标识码B文章编号16 7 2-9 3 2 3(2 0 2 3)0 6-0 0 8 9-0 41概况沧州渤海石化工程有限公司动力分厂2#?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76mm4mm的2 0#碳素钢无缝钢管制成，长度约2 47 5mm。扇叶减速箱图1风机传动结构示意图该风机型号为LF一47 E，转速为1450 r/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2 5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?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。风机经过长时间风筒的运行，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。此次传动断裂处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76mm4mm减少到75mm3mm。从图1中可以看出，断裂处位于风筒附近，距离电机端8 2 0 mm左联轴器电机右。传动轴穿过一个200mm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200mm左右的孔流入，再加化 建 2.0 1 8 9 rquipment&Installation装置与安装上潮湿的环境，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0.12 mm；轴向允差0.12 mm。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；9 0，0.5。同心度:0.2 mm。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(1)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19 7.6 Nm；最大弯矩（Mm）发生在传动轴的中间横截面上，即x=1处，Mm=54.3Nm；但断裂处位于x号1处，所以弯矩(M)计算式见式(1)。RA1图2 传动轴的静力计算示意图1M=q1?X82式中：M弯矩,Nm;q重量载荷,N/m;1当量长度,m;取 qQ=69.6N/m,x=号 1 带人公式(0),得 M=48.33N-m。32.2.1 强度校核扭转载荷对应的扭转剪应力计算见式(2)。9 0 化 建 2.TT=WT式中：T一-扭转剪应力,MPa；Wr一抗扭截面模量，m。将Wr=23.9310-带人公式,得T=8.26MPa。弯曲载荷对应的弯曲应力计算见式(3)。MWz式中：0Wz一抗弯截面模量,m。将Wz=11.9610带人公式(3),得=4.0 4 MPa。按照第三强度理论计算等效应力（）见式（4)。0=V。+4 T=17 MPa(4)20#碳钢的许用应力-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)。5ql4Ymax384EIz式中：E材料的弹性模量,GPa；I一横截面对Z轴的惯性矩,m。2断裂处的弯曲静挠度(y)计算见式(6)。3y=-9XL(13-21x+x)24EIz将Iz=588106.1410-12m4、E=2 0 0 G Pa 等带人公式(5)和(6),得Ymax=0.30mm,Yx-2/3=0.26mm。而许用挠度y=0.0001 L=0.25mm,yx=2/3y,因此挠度不够。B最大转角（）发生在传动轴的端面,其计算式见式RBD2(1)2(2)(3)弯曲应力,MPa;(5)(6)(7)。=q/24EIz=0.000514弧度许用转角 =0.0 0 1弧度,因此。断裂处的扭转角（)计算见式(8)。GIp式中：-横截面对轴心的极惯性矩，m*；G一材料的剪切弹性模量,GPa。将Ip=880971.710-12m4、G=8 0 G Pa 等数值代人公式(8),得=0.161 /m。而许用扭转角=0.250.50/m,因此。(7)(8)(13)一rquipment&Installation装置与安装通过计算可以看出，该传动轴在静力载荷的作用下，断裂处(X=21)的动挠度计算见式(13)。3强度和刚度均满足要求。82.3动力分析sin?(i 元 2 /3)442i1元a-w1242.3.1横向振动取i=1、2、3、4、5,计算得 Yamax=2.50e,x=2/3=1.93e。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(f)计算见式(9)。f=(i)VELzpA式中：f一第i阶振型的频率,次/s；L一一传动轴的等效长度，m；P-材料密度,kg/m;A一一横截面面积，m。当i=1时,fi=204次/s，一阶临界转速（ncr)的计算见式(10)。nri=60f/2 =1948r/min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=Psinwt),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。PSA在干扰力的作用下,简支梁的挠曲线方程见式(11)。sin i/sin(inx/)sin a t8y=2gP.l3pA式中:Po偏心力，N；转动角速度,rad/s;ELza系数,a=1pA假设偏心距为e，干扰力P=pAlew sinwt。当s=1时,梁有最大动挠度，且发生在中间横截面上(x=)，2即得到式(12)。i=1由计算结果可以看出，偏心距越大，动挠度越大。2.3.2扭振(9)将传动轴简化成两端带有圆盘的转轴，如图4所示。1I一转轴的转动惯量；Ii一圆盘1的转动惯量；I2圆盘2 的转动惯量(10)由于扭振不存在干扰力，因此转轴的一阶自然振动频率(f)计算公式见式(14)2:111(111Gfmy2元1PB1图3 传动轴的横向振动示意图42sin?(i 元/2)4a-w1.442元lo1图4传动轴简化图32Pn式中：fi一扭振一阶自然振动频率，次/s；m、n-转动惯量比,m=n=I/Io=I/I=1.12;带人公式（14)，得fi=251次/s,则扭振的一阶临界转速ncri=60fi/2元=2 40 0 r/min。而风机的工作转速为1450r/min，远远低于临界转速，因此不会发生扭转振动。3改进措施(11)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VIz/A有关，可得式(15)。2VIz/A=VD+d/4若要提高临界转速，降低动挠度，只需增大外径即(12)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一47 E使用的油化 建 2 3 .0 1 9 1 122mnmn(14)(15)rquipment&Installation装置与安装碳素钢传动轴，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截面尺寸/mm753764Q794Q793894临街转速/rmin-11945动挠度/mm2.51e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194820282.50e2.11e20531.98e22971.33e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3 2 MPa）、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。参考文献1刘鸿文材料力学 M北京：高等教育出版社，19 9 1：103-226,356-359.2姚兆生译.机械零件强度计算手册 M.北京：机械工业出版社，1987:276524.(收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 5)新修订的生态环境行政处罚办法7 月1日起施行生态环境部日前印发了新修订的生态环境行政处罚办法，自2 0 2 3 年7 月1日起施行。生态环境部生态环境执法局有关负责人介绍，处罚办法修订严格遵守行政处罚领域的通用规范，同时紧密联系生态环境执法实际，突出生态环境领域执法特点，增强执法的规范性和可操作性，严格约束行政执法行为，保障当事人合法权益，保障执法既有力度又有温度。这位负责人介绍，文件名称由原来的环境行政处罚办法改为生态环境行政处罚办法，适用范围上新增了核与辐射领域，并在具体内容上作出以下修改：一是修改完善处罚种类。新增了通报批评，没收违法所得、没收非法财物，一定时期内不得申请行政许可，责令限期拆除等处罚种类。二是修改完善调查取证的相关规定。细化自动监测数据的应用要求，突出标记规则的重要作用。增加了调查中止和调查终止的情形规定，将其与调查终结情形加以区分。三是完善行政处罚裁量权的相关规定。完善了不予处罚的情形,增加了从轻或者减轻处罚的情形。四是规范和细化行政处罚的程序。新增应当组织听证的条件和听证的程序要求，明确重大执法决定法制审核的范围、审核内容以及审核意见，对重大案件集体讨论的范围进行细化。五是补充增加行政处罚信息公开的内容。在第三章“普通程序”中单独增加“信息公开”一节，对公开的主体、公开的内容、不予公开的情形、隐私保护、公开的期限、公开撤回等内容进行细化规定。六是修改相关时限和罚款数额。对立案时限、作出处罚决定的时限、适用简易程序的处罚金额、较大数额罚款等时限和数额作出了调整。9 化工建设 2 3.6