前置泵膜片聯(lián)軸器疲勞失效原因分析

顧勇，吳剛，閆哲

（華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212400）

0 引言

膜片聯(lián)軸器是一種全金屬干式擾性聯(lián)軸器［1］，它通過(guò)較薄的高強(qiáng)度合金鋼或不銹鋼片產(chǎn)生彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器的擾性傳動(dòng)，在軸向和角向有較大擾度，能補(bǔ)償兩軸3個(gè)方向（軸向、徑向、角向）的相對(duì)位移，并有一定的吸振、減振作用，使聯(lián)軸器可以吸收兩側(cè)傳動(dòng)軸的不對(duì)中和沖擊，特別適用于高速、重載的場(chǎng)合。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸方便、無(wú)需潤(rùn)滑與維護(hù)，具有耐酸、耐熱等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空、航艦、石油化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域。

華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠前置泵聯(lián)軸器下面的地面上曾發(fā)現(xiàn)有少量不銹鋼碎片，后經(jīng)檢查確定該碎片來(lái)自膜片聯(lián)軸器，隨后立即申請(qǐng)降負(fù)荷停泵，連夜更換膜片聯(lián)軸器，更換之后前置泵運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)正常。膜片聯(lián)軸器的失效會(huì)造成旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)加大甚至損壞，嚴(yán)重影響機(jī)組安全生產(chǎn)，更換前需要停設(shè)備、減出力，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，因此，對(duì)膜片聯(lián)軸器失效原因進(jìn)行分析，有助于深入且準(zhǔn)確分析膜片受力情況和故障原因，為有效預(yù)防和解決失效提供理論保障。

圖1 前置泵膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

1 膜片聯(lián)軸器主要結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分析

1.1 膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

前置泵膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為：扭矩從主動(dòng)軸（電機(jī)側(cè)）法蘭通過(guò)螺栓、膜片組傳遞到中間段短節(jié)，再?gòu)闹虚g段通過(guò)螺栓膜片組傳遞到從動(dòng)軸（汽泵側(cè)）。該膜片聯(lián)軸器除了可以傳遞扭矩外，還可以通過(guò)膜片的彈性變形來(lái)補(bǔ)償各種工況下的不對(duì)中。膜片聯(lián)軸器的破壞大多是由膜片斷裂破壞引起的，因此，只要膜片破損就認(rèn)為該聯(lián)軸器已經(jīng)失效，所以膜片是重點(diǎn)研究的零部件。

1.2 膜片聯(lián)軸器應(yīng)力分析

膜片組是膜片聯(lián)軸器的關(guān)鍵元件，由于聯(lián)軸器中其他零件的剛度比膜片大得多，所以可將膜片的剛度視為聯(lián)軸器的剛度。設(shè)備運(yùn)行時(shí)膜片作為彈性元件，所承受的負(fù)荷形式及應(yīng)力形式見(jiàn)表1。在使用過(guò)程中，膜片組要承受離心力，扭矩，軸向偏移和徑向、角向偏移這4種負(fù)荷引起的應(yīng)力作用，其中離心力和扭矩引起的應(yīng)力最為主要［2］，本文重點(diǎn)分析和比較它們的變化對(duì)應(yīng)力大小的影響及影響程度。

表1 膜片承受的負(fù)荷形式及應(yīng)力形式

（1）膜片受扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力。設(shè)傳遞扭矩為T，總膜片數(shù)量為n，主動(dòng)螺栓孔數(shù)量為Z，螺栓孔半徑為R，假設(shè)膜片所受拉、壓應(yīng)力平均分到每層膜片上，僅考慮一片膜片受扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力F＝T／（ZRn）。前置泵膜片組為8孔螺栓，因此主動(dòng)螺栓孔數(shù)量為4，即每個(gè)主螺栓上所受的力為 F＝T／（4nR）。

（2）離心應(yīng)力。假定螺栓與膜片的材料相同，可計(jì)算出各自的質(zhì)量，根據(jù)所處的位置和螺旋角度，可計(jì)算出離心應(yīng)力，該應(yīng)力作用在總質(zhì)心上。

（3）軸向偏移引起的彎曲應(yīng)力。由于在軸線方向上存在安裝誤差，使得膜片沿軸線方向發(fā)生彎曲變形，通過(guò)軸線位移的大小可以求出彎曲應(yīng)力的大小。

（4）徑向、角向偏移引起的彎曲應(yīng)力。由于軸線角向存在安裝誤差，使膜片沿軸線方向發(fā)生周期性彎曲變形，它是引起膜片疲勞失效的主要原因，通過(guò)傾斜角度可以求出彎曲應(yīng)力的大小。

根據(jù)理論分析和計(jì)算，在螺栓孔附近應(yīng)力梯度較大，而遠(yuǎn)離螺栓孔的地方應(yīng)力變化較緩，所以螺栓孔附近是容易發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)部位，這與實(shí)際情況中螺栓孔附近膜片有部分損壞脫落的情況一致。

2 膜片聯(lián)軸器失效原因分析

2.1 膜片受壓失穩(wěn)和受拉斷裂

膜片受壓失穩(wěn)是膜片失效的一種常見(jiàn)故障，由材料力學(xué)可知，若受壓膜片承受最大扭矩時(shí)的應(yīng)力大于臨界應(yīng)力，膜片將喪失其原有直線形狀的平衡，而變?yōu)槲潬顟B(tài)。

膜片受拉斷裂是更為常見(jiàn)的故障，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器膜片螺栓孔附近的危險(xiǎn)截面處非常容易斷裂。對(duì)受拉膜片進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn)：在四邊受拉且載荷分布均勻的情況下，膜片不會(huì)發(fā)生拉斷破壞失效；若載荷分布不均勻，則有可能在收拉膜片的過(guò)程中出現(xiàn)若干膜片被拉斷的現(xiàn)象。在中心長(zhǎng)時(shí)間不對(duì)中的情況下工作，如果中心偏差超過(guò)了聯(lián)軸器補(bǔ)償?shù)姆秶?，則膜片聯(lián)軸器會(huì)受到峰值扭矩，其中4組受壓膜片組失穩(wěn)，另外4組受拉膜片將承擔(dān)全部扭矩，所受拉力倍增。如果膜片長(zhǎng)時(shí)間處于非均勻受力狀態(tài)，部分膜片兩端螺栓孔內(nèi)側(cè)應(yīng)力超過(guò)材料的曲服極限，導(dǎo)致其被拉斷破壞，由于承載膜片數(shù)量逐步減少并且受力不均，原先所受應(yīng)力較低的膜片也將隨之被拉斷，隨后整組膜片都將被拉斷。

膜片聯(lián)軸器工作時(shí)，分別會(huì)受到扭矩引起的疊面應(yīng)力，軸線偏斜而引起的彎曲應(yīng)力，螺栓與膜片質(zhì)量通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心應(yīng)力以及膜片徑向、角向偏移引起的彎曲應(yīng)力等。疊面應(yīng)力會(huì)使螺栓產(chǎn)生剪切應(yīng)力；彎曲應(yīng)力使螺栓產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)力，且軸每旋轉(zhuǎn)1周應(yīng)力循環(huán)交變1次；離心力使螺栓產(chǎn)生剪切應(yīng)力，且隨轉(zhuǎn)速而變化。結(jié)合句容發(fā)電廠前置泵膜片聯(lián)軸器失效方式可知，螺栓孔附近膜片受到交變應(yīng)力和復(fù)合應(yīng)力的循環(huán)作用，最終發(fā)生疲勞斷裂。

2.2 前置泵膜片聯(lián)軸器失效分析

結(jié)合句容發(fā)電廠前置泵膜片聯(lián)軸器失效損壞和變形的具體情況，通過(guò)分析基建時(shí)期冷態(tài)對(duì)中數(shù)據(jù)及泵運(yùn)行的振動(dòng)數(shù)據(jù)，總結(jié)出可能引起膜片聯(lián)軸器疲勞失效的主要原因。

（1）由于電機(jī)和水泵不是同一機(jī)座（未采用整體式共用底座），電機(jī)側(cè)基礎(chǔ)沉降引起聯(lián)軸器徑向偏差大。

（2）聯(lián)軸器中間短節(jié)用絕緣段（防軸電流）連接，降低了聯(lián)軸器短節(jié)的整體強(qiáng)度。

（3）膜片聯(lián)軸器膜片質(zhì)量有問(wèn)題。

由于供貨商已有不少供貨業(yè)績(jī)，并且其他廠運(yùn)行狀態(tài)基本良好，基本可以排除第2、第3個(gè)原因，所以，由于基礎(chǔ)沉降而引起不對(duì)中造成聯(lián)軸器失效的可能性比較大。

聯(lián)軸器裝配不對(duì)中是引起膜片聯(lián)軸器失效的主要原因之一，也是引起旋轉(zhuǎn)機(jī)械異常振動(dòng)的主要原因。聯(lián)軸器不對(duì)中主要有角偏斜和平行不對(duì)中2種形式，平行不對(duì)中可以轉(zhuǎn)化為角偏斜形式的不對(duì)中。裝配中不可避免地會(huì)產(chǎn)生軸之間的不對(duì)中，即使開(kāi)始時(shí)對(duì)中情況良好，設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，由于地基沉降等原因，聯(lián)軸器仍然會(huì)出現(xiàn)不對(duì)中情況。如果不對(duì)中情況嚴(yán)重，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)加劇，如果振動(dòng)不大，也不能說(shuō)明中心沒(méi)有任何問(wèn)題，只能說(shuō)明膜片聯(lián)軸器的補(bǔ)償功能發(fā)生了作用，將設(shè)備振動(dòng)控制在合理范圍內(nèi)。如果中心偏差繼續(xù)擴(kuò)大，膜片損壞情況繼續(xù)加重，巡檢沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，膜片補(bǔ)償功能會(huì)迅速減弱，泵體振動(dòng)會(huì)加大甚至造成停泵事故，所以泵體振動(dòng)情況是檢驗(yàn)?zāi)て欠駬p壞的重要檢查項(xiàng)目，在機(jī)組運(yùn)行中應(yīng)作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)手段。

在發(fā)現(xiàn)句容發(fā)電廠前置泵聯(lián)軸器周圍地面有少量不銹鋼碎片時(shí)，前置泵自由端和傳動(dòng)端振動(dòng)均正常，最大振動(dòng)值為0.014mm，說(shuō)明聯(lián)軸器膜片起到了補(bǔ)償作用，損壞還不嚴(yán)重，但如果長(zhǎng)時(shí)間在這種情況下運(yùn)行，不及時(shí)采取處理措施，膜片損壞會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，前置泵振動(dòng)必然會(huì)增大。

3 處理方法

上述分析表明，聯(lián)軸器中心偏差是引起膜片聯(lián)軸器失效的重要因素，同時(shí)也會(huì)引起泵體振動(dòng)增大，基于這2點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出以下解決辦法。

（1）將前置泵膜片聯(lián)軸器檢查及冷態(tài)中心校驗(yàn)、調(diào)整工作列為機(jī)組大修的重點(diǎn)項(xiàng)目，做好數(shù)據(jù)記錄及分析工作。

（2）將前置泵聯(lián)軸器檢查（地面有無(wú)碎片）及前置泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)作為巡回檢查的重點(diǎn)項(xiàng)目，出臺(tái)專項(xiàng)巡檢措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在學(xué)習(xí)和總結(jié)已有膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)和受力分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)句容發(fā)電廠前置泵膜片聯(lián)軸器失效做了理論分析，討論了可能引起失效的原因和依據(jù)，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出了處理方法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐已逐見(jiàn)成效，表明理論分析和工程實(shí)際結(jié)合較好，提出的方案能夠優(yōu)化設(shè)備監(jiān)測(cè)參數(shù)和檢修項(xiàng)目，改善了巡查和檢修效果，為機(jī)組的安全生產(chǎn)提供了保障。

［1］衛(wèi)冬生，徐筱欣，鐘凱.大功率膜片聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算研究［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2006，30（6）：7-8.

［2］華軍，許慶余，張亞紅.膜片聯(lián)軸器膜片應(yīng)力計(jì)算及疲勞壽命分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（2）：203-206.