濕法脫硫漿液循環(huán)泵減速機(jī)頻繁故障的原因分析及解決措施

周 波

（大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 設(shè)備概況

大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司9、10號機(jī)組脫硫設(shè)施為每爐配置1套石灰石－石膏濕法脫硫裝置，每座吸收塔漿液循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置四層噴淋裝置，各配備 A、B、C、D 4臺漿液循環(huán)泵（簡稱“泵”）。電機(jī)與泵之間采用減速機(jī)連接傳動，減速機(jī)的主動軸與齒輪采用鍵連接。減速機(jī)的主要銘牌參數(shù)見表1。

表1 減速機(jī)的主要銘牌參數(shù)

2 存在的問題

自2010年脫硫系統(tǒng)試運(yùn)通過后的1年多時間里，9、10號機(jī)組A、B、C 6臺泵的減速機(jī)共發(fā)生8次主動軸斷裂或出現(xiàn)裂紋的故障，壽命周期僅為半年左右。在入口二氧化硫濃度超設(shè)計值時，脫硫效率難以保證，導(dǎo)致出口煙氣二氧化硫濃度超標(biāo)排放。D泵減速機(jī)至今運(yùn)行正常。

3 原因分析

3.1 外觀檢查情況

2010年9月4日15：32，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)9B泵的電流由48A升至53A后突降至18A，入口壓力由82kPa升至100kPa，停止9B泵運(yùn)行。打開減速機(jī)上蓋檢查，發(fā)現(xiàn)減速機(jī)主動軸在小齒輪內(nèi)部斷裂，斷口在軸齒輪內(nèi)部鍵槽處，斷口截面從軸中心向外擴(kuò)散（見圖1）。

圖1 9B泵減速機(jī)主動軸斷裂

2011年6月15日5時15分，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)10B泵啟動后掉閘，對減速機(jī)進(jìn)行解體開蓋檢查發(fā)現(xiàn)，主動軸出現(xiàn)裂紋，位于與齒輪安裝連接的鍵槽部位，裂紋沿軸肩部位延伸至4號軸承端（見圖2）。

圖2 10B泵減速機(jī)主動軸裂紋

3.2 斷裂前后的減速機(jī)運(yùn)行狀況

查看10B泵減速機(jī)主動軸斷裂前各部位振動值及溫度均在正常范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)異常波動和超標(biāo)情況。

調(diào)閱減速機(jī)10B泵減速機(jī)主動軸斷裂前后的電流曲線：啟動時間為6月15日05：15：51，啟動最大電流119.3A；05：16：05電流降至額定54A（電流恢復(fù)時間、電流值與正常啟動運(yùn)行時相同）；05：16：21電流突升至100A；05：16：40電流降至空載電流25.6A（空載維持時間7s）：05：16：48電流降至0。根據(jù)電流曲線可以看出，10B泵啟動后經(jīng)14s恢復(fù)額定電流后，電流突升至100A，然后降至接近空載電流，符合斷軸瞬間變化曲線（見圖3）。

圖3 主動軸斷裂前后10B泵運(yùn)行曲線

3.3 工況系數(shù)分析

一般情況下，設(shè)備的設(shè)計都是按理論值計算的，但因設(shè)備的使用場合、環(huán)境、工作時間等都不相同，所以要將理論值乘一個系數(shù)，以確保設(shè)備的安全使用，這個系數(shù)就叫工況系數(shù)。

減速機(jī)的工況系數(shù)等于減速機(jī)設(shè)計的額定功率除以應(yīng)用功率，計算得出A、B、C、D泵減速機(jī)設(shè)計工況系數(shù)分別為1.79、1.59、1.70、2.10。A、B、C泵減速機(jī)的工況系數(shù)均較D泵小，而D泵減速機(jī)至今未發(fā)生斷軸事件，因此懷疑A、B、C泵減速機(jī)的工況系數(shù)設(shè)計不合理，特別是在頻繁帶載啟停運(yùn)行方式下，減速機(jī)主動軸頻繁受交變力沖擊，主動軸齒輪鍵槽位置是應(yīng)力的集中區(qū)域，從而造成主動軸產(chǎn)生疲勞損傷并逐步向基體內(nèi)擴(kuò)展，截面有效承載面積逐漸減小最終發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

3.4 主動軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算

為進(jìn)一步驗證減速機(jī)主動軸的工況系數(shù)設(shè)計是否合理，利用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度對主動軸進(jìn)行校核，計算出主動軸的最小直徑。

由實心圓軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件公式

式中：τ為軸的剪應(yīng)力，MPa；T為扭矩，N·mm；Wρ為抗扭截面系數(shù)，mm3；對圓截面Wρ＝πd3/16≈0.2d3；P為軸傳遞的功率，kW；n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；d為軸的直徑，mm；［τ］為許用切應(yīng)力，MPa。

對于轉(zhuǎn)軸，可將式（1）簡化為：

式中：A為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。機(jī)械設(shè)計手冊中給出的幾種常用材料的A值見表2。

表2 幾種常用材料的A值

在下述情況時，A取較小值，彎矩較小或只受扭矩作用、載荷較平穩(wěn)、無軸向載荷或只有較小的軸向載荷、減速機(jī)的低速軸、軸只做單向旋轉(zhuǎn)；反之，A取較大值，直徑≤100mm的軸，有1個鍵槽時，軸徑增大5%～7%，有2個鍵槽時，應(yīng)增大10%～15%［1］。

由于減速機(jī)主動軸為高速軸，且泵進(jìn)行反沖時減速機(jī)也反轉(zhuǎn)，其材質(zhì)為35SiMn，故A選取較大值為112。并且主動軸上有1個鍵槽，其軸徑應(yīng)至少增加5%，將應(yīng)用功率與轉(zhuǎn)速代入公式（2）計算得出各減速機(jī)主動軸的最小軸徑：dA≥84.98mm，dB≥88.38mm，dC≥88.38mm，dD≥91.98mm。

除D泵減速機(jī)主動軸軸徑為100mm外，A、B、C泵減速機(jī)主動軸軸徑設(shè)計均為80mm，無法滿足最小軸徑的要求，進(jìn)一步驗證了設(shè)計工況系數(shù)選擇偏小，無法滿足實際運(yùn)行需要。因此在重載頻繁啟停的情況下，減速機(jī)主動軸出現(xiàn)疲勞損傷并逐步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致主動軸斷裂。

4 解決措施及效果

由于減速機(jī)主動軸頻繁斷裂的主要原因是主動軸軸徑設(shè)計不合理，工況系數(shù)選擇偏低，因此需要對現(xiàn)有的A、B、C泵減速機(jī)進(jìn)行改型，增加主動軸軸徑尺寸，確保在重載工況下的抗疲勞強(qiáng)度。

為了有效利用現(xiàn)有減速機(jī)的基礎(chǔ)，綜合考慮，將A、B、C泵減速機(jī)主動軸軸徑增加至100mm，同時主（從）動軸與齒輪的連接方式改為齒輪軸形式；增大齒輪模數(shù)及齒寬，增加齒輪強(qiáng)度。改型后的減速機(jī)的主要銘牌參數(shù)如表3所示。

表3 改型后減速機(jī)的主要銘牌參數(shù)

改型后的A、B、C泵減速機(jī)工況系數(shù)分別達(dá)到了2.31、2.06、2.19，主動軸軸徑均滿足大于最小軸徑的要求，能夠適應(yīng)工作需求。

2011年10月對10號機(jī)組A、B、C 3臺泵的減速機(jī)進(jìn)行了改型，截止目前，改型后的減速機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，停備后開蓋檢查主動軸和齒輪，沒有發(fā)現(xiàn)異常，初步判定改造方案可行。長期運(yùn)行效果還有待時間檢驗。

5 結(jié)束語

隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，要求發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)可靠運(yùn)行達(dá)到與主機(jī)同等重要的地位。漿液循環(huán)泵減速機(jī)改型后，不僅可以延長其運(yùn)行周期，避免因設(shè)備異常損壞造成二氧化硫排放濃度的超標(biāo)，而且還可以有效減少污染物排放總量，符合當(dāng)前國家環(huán)保要求，有助于電廠的長遠(yuǎn)發(fā)展。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.