離心式制冷機組主傳動軸斷裂原因分析
2012-07-05
摘 要：本文針對捷克YORK公司離心式制冷機組主傳動軸斷裂的原因進行了理論分析，提出了解決方案和改進措施。
關鍵詞：離心式制冷機組；主傳動軸；斷裂；分析；措施
一、制冷機壓縮機的工作原理
壓縮機通過摩擦聯軸器與轉速為2975r/min的6kV主電機相聯，由主傳動軸帶動大齒輪，通過小齒輪軸使轉速增至10902r/min，帶動鋁合金葉輪高速運轉，使氟里昂壓力升高，達到冷凝條件。
主傳動軸與軸套通過軸端的12條M8×1.25mm的高強度螺栓連接，并通過其傳遞扭矩；軸套與大齒輪采用過盈配合（制造廠家以組合件形式提供），軸套與軸之間的空腔安裝雙端面機械密封；葉輪通過3條M12×1.25mm高強度螺栓與小齒輪軸連接并定位，見圖1。
二、故障情況
1997年10月2日，92C103機組的主電機電流陡降，冷凝壓力迅速降低，壓縮機停止運行；且有大量潤滑油從主傳動軸密封處噴出。解體檢修發現主傳動軸（結構見圖2）從A-A端面處斷裂，斷口呈凹凸狀（見圖3)。
三、原因分析主傳動軸斷裂的可能原因是，強度不夠、結構不合理、裝配精度和零部件加工精度不夠。
1．強度
從斷裂位置來看，主傳動軸斷裂處直徑為φ60mm，而Z小直徑為φ40mm處的軸頸未斷裂，由此可以判斷主傳動軸斷裂不是因強度不夠造成的。
2．結構
從圖2可以看出斷裂處為直角過渡，是應力集中的地方。而且主傳動軸與軸套的配合端面對軸線無垂直度要求，且配合精度低，因而加大了主傳動軸的運行載荷；同時機組的四個滑動軸承與軸套的實際間隙值為0.19mm，在檢修規程允許范圍0.15~0.20mm的上限，也加大了主傳動軸的運行載荷。
3．裂紋形成及擴展過程主傳動軸斷裂面呈凹凸狀，且有放射狀組織存在（見圖4）。這種斷口形式是由疲勞裂紋產生的，因為疲勞裂紋總是首先發生在應力集中的地方。
材質內存在第二相或夾雜物，以及A-A端面和直徑為φ60mm軸頸的表面粗糙度較低是導致裂紋源的可能原因。加之組成金屬的某些晶粒在Z大剪應力作用平面內產生滑移，在交變載荷作用下，隨著疲勞過程的進行，原有滑移線的滑移量增大，逐漸形成滑移帶。隨著滑移帶的加寬加深，在表面出現“侵入溝”和“擠出帶”，從而形成裂紋源。
當傳動軸出現的初始裂紋小于臨界裂紋尺寸時，在交變載荷作用，尤其是機組頻繁啟動（從安裝使用到斷裂前反復啟動了約40次）的情況下逐漸擴展，直至達到臨界裂紋尺寸而斷裂。
四、結論
通過上述分析可知主傳動軸斷裂不是強度不夠所致，而是由于結構設計不合理、加工和裝配精度低、啟動次數頻繁等原因，在應力集中處產生裂紋源，然后在交變載荷和機組運行時其他部件給予的附加載荷作用下逐步擴展，達到臨界裂紋尺寸造成的。
五、處理措施及效果
1．將軸上A-A端面的直角過渡改為圓角過渡（取r=2.5mm）。但注意與其裝配的軸套的內圓應倒角，且以不影響主軸的裝配為準。
2．為減少主傳動軸運行時的額外載荷，在A-A端面增加了垂直度和粗糙度要求。同時適當減小了四個滑動軸承的裝配間隙（實際為0.16mm），但以保證機組的安全運行為前提。
3．加強工藝優化，提高操作水平，加大巡檢頻率，減少機組開停次數。
采取了相應措施后，3年多以來未再發生類似事故。
