鄒南城，李勝鑫，沈滿林

(1.華電福新能源華安水力發(fā)電廠，福建 華安 363800；2.杭州匯安電力工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

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水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承瓦支柱失效分析

鄒南城1，李勝鑫1，沈滿林2

(1.華電福新能源華安水力發(fā)電廠，福建 華安 363800；2.杭州匯安電力工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

對推力軸承瓦支柱失效的原因進(jìn)行分析，復(fù)核了推力軸承瓦支柱材料、金相組織和推力軸承瓦支柱整體各結(jié)構(gòu)單元的受力狀況，得出了初步結(jié)論。圖3幅，表2個。

水輪發(fā)電機(jī)組；推力軸承；軸承瓦支柱；失效；原因分析

1 概 述

某水電站位于福建省某縣城境內(nèi)的九龍江北溪干流的河段上，距著名僑鄉(xiāng)閩南“金三角”經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)——漳州市約55 km，距縣城約10 km。工程于1971年動工興建，1979年10月1日第1臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1980年4月5日全部建成投產(chǎn)。電站裝機(jī)容量為4×15 MW，安裝有4臺混流立式水輪發(fā)電機(jī)組。2014年7月底，4號機(jī)組在運(yùn)行時出現(xiàn)異常，經(jīng)停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)4號機(jī)組6、7號推力軸承瓦支柱開裂成4塊失效，后對8個推力軸承瓦支柱全部進(jìn)行了更換，4號機(jī)組繼續(xù)投入運(yùn)行。

2 失效原因分析

推力軸承瓦支柱失效的原因可能是多種因素合成作用造成，不僅有推力軸承瓦支柱本身的原因，也有可能是水輪發(fā)電機(jī)組整體的原因，還有可能是水力學(xué)和電磁力學(xué)方面共同作用的結(jié)果。

水輪機(jī)型號:HL211—LJ—255,發(fā)電機(jī)型號：SL550—79/28，水推力：842.8 kN(86 t)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動部分重：140.3 kN(14.3 t)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重：784.8 kN(80 t)，合力：176.8 kN(180.3 t)，推力軸承瓦支柱數(shù)：8塊，平均單塊推力軸承瓦支柱受力：221.7 kN(22.6 t)，原隨機(jī)圖紙表明推力軸承瓦材料為A3(Q235)。

2.1 材料驗(yàn)證及金相分析

為了驗(yàn)證失效推力軸承瓦支柱實(shí)際所采用材料，對失效推力軸承瓦支柱材料進(jìn)行了化學(xué)成份分析，發(fā)現(xiàn)失效推力軸承瓦支柱為45號鋼(見表1)，與機(jī)組原隨機(jī)圖紙表明推力軸承瓦支柱材料為A3(Q235)不符。

表1 推力軸承瓦支柱材料成份檢測結(jié)果

表2 推力軸承瓦支柱硬度檢測結(jié)果 HB

45號鋼材料屈服極限為355 MPa、強(qiáng)度極限為600 MPa,綜合機(jī)械性能比A3(Q235)要優(yōu)(其屈服極限為235 MPa、強(qiáng)度極限為375～500 MPa)；并且45號鋼便于局部表面淬火或整體調(diào)質(zhì)處理，以便滿足推力軸承瓦支柱對材料性能的要求。在設(shè)計過程中對綜合機(jī)械性能要求較高或受力狀況比較復(fù)雜的構(gòu)件往往采用45號或40Cr等。

從表1的結(jié)果可知，推力軸承瓦支柱的材料是45號鋼，45號鋼加工成推力軸承瓦支柱可能采取如下幾種形式：圓鋼坯料直接加工而成、圓鋼坯料直接加工經(jīng)熱處理而成、圓鋼坯料鍛造經(jīng)調(diào)質(zhì)處理加工而成，鑄件加工而成。推力軸承瓦支柱究竟是45號鋼采用何種形式而成，直接影響其綜合機(jī)械性能。使用硬度計對推力軸承瓦支柱各個不同表面進(jìn)行布氏硬度測量(見表2)和在硬度較高處進(jìn)行金相組織分析(見圖1)的辦法驗(yàn)證推力軸承瓦支柱是采用上述哪種材料。

從表2可看出，推力軸承瓦支柱與推力軸承瓦接觸面的硬度與45號鋼局部淬火硬度相當(dāng)，推力軸承瓦支柱非接觸面的硬度與45號鋼棒料直接加工的材料硬度相近。

a 45號鋼淬火處理的標(biāo)準(zhǔn)金相組織 b 推力軸承瓦支柱推力軸承瓦接觸表面金相組織

(鐵素體+珠光體)

100× 4%硝酸酒精溶液浸蝕 100×

圖1 推力軸承瓦支柱的受壓表面經(jīng)磨削加工后進(jìn)行金相組織分析結(jié)果

從圖1a和圖1b對比可知，推力軸承瓦支柱與推力軸承瓦接觸面的金相組織(鐵素體+珠光體)與45號鋼淬火處理的標(biāo)準(zhǔn)金相組織相近，該處金相組織為淬火處理金相組織。

綜合硬度檢測和金相組織分析結(jié)果，失效的推力軸承瓦支柱為圓鋼棒料加工并對推力軸承瓦支柱與推力軸承瓦接觸面局部淬火熱處理而成。

2.2 結(jié)構(gòu)受力有限元分析

機(jī)械構(gòu)件的失效不但與構(gòu)件采用的材料有關(guān)，構(gòu)件的受力狀況也是造成構(gòu)件失效最重要的原因之一。為了探究推力軸承瓦支柱失效的原因，還對推力軸承瓦支柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析。

推力軸承瓦支柱的結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析計算方法：采用有限元分析軟件，建立推力軸承瓦支柱結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)學(xué)計算模型，并采用線彈性有限元法，把推力軸承瓦支柱結(jié)構(gòu)離散為實(shí)體單組成的彈性結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計算，校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，模型按照失效推力軸承瓦支柱圖紙進(jìn)行實(shí)體建模。

推力軸承瓦支柱結(jié)構(gòu)有限元計算模型及參數(shù)如下所示(見圖2)。

(1)單元剖分

推力軸承瓦支柱數(shù)8塊，以一整塊推力軸承瓦支柱為分析對象，建立計算模型。計算模型的單元總數(shù)為258 827個。

(2)約束處理

推力軸承瓦支柱底部受到六向的支撐約束，其他自由度約束。

(3)計算載荷

計算載荷主要考慮作用在推力軸承瓦支柱上的水推力和水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部分自重，水推力：842.8 kN(86 t)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動部分重量：140.3 kN(14.3 t)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重量：784.8 kN(80 t)，合力：176.8 kN(180.3 t)，平均單塊推力軸承瓦支柱受力：221.7 kN(22.6 t)，在此計算未考慮推力軸承瓦支柱之間受力不均勻性。

(4)結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性

結(jié)構(gòu)的外形尺寸按設(shè)計圖紙取用。結(jié)構(gòu)材料為45號鋼,局部表面熱處理。其屈服極限為355 MPa,強(qiáng)度極限為600 MPa，計算時取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比取μ=0.3。

圖2 推力軸承瓦支柱模型

(5)計算結(jié)果及分析

從計算結(jié)果看，推力軸承瓦支柱整體應(yīng)力值分布未見明顯異常。應(yīng)力值最大在底部8個突臺與主體結(jié)構(gòu)過渡的圓角頂點(diǎn)處300 MPa左右，其他圓角過渡處應(yīng)力值在180 MPa左右(見圖3)。

圖3 推力軸承瓦支柱計算結(jié)果

從硬度檢測和金相組織分析結(jié)果看，失效的推力軸承瓦支柱是45號圓鋼棒料加工經(jīng)對推力軸承瓦支柱與推力軸承瓦接觸面局部淬火熱處理而成。從推力軸承瓦支柱結(jié)構(gòu)形式和對綜合機(jī)械性能要求并結(jié)合當(dāng)時的工業(yè)水平，采用45號這種材料并進(jìn)行這樣方法處理是比較合理的。

推力軸承瓦支柱的結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析結(jié)果表明，推力軸承瓦支柱整體應(yīng)力值分布未見明顯異常。應(yīng)力值最大在底部8個突臺與主體結(jié)構(gòu)過渡的圓角頂點(diǎn)處300 MPa左右，接近45號鋼的屈服極限為355 MPa。本次結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析的載荷只取用了靜載荷，并且只考慮8塊推力軸承瓦支柱均勻受力。如果考慮單塊推力軸承瓦支柱受力的不均勻性和動載及其他偶然載荷，上述應(yīng)力值較大處的實(shí)際應(yīng)力會更大。

3 結(jié) 語

從以上試驗(yàn)分析研究結(jié)果看，推力軸承瓦支柱細(xì)微處結(jié)構(gòu)設(shè)計不盡合理，造成局部應(yīng)力過大，是推力軸承瓦支柱失效的原因之一；是否還有其他更主要的原因，有待進(jìn)一步研究分析。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2014-09-24

鄒南城(1964-)，男，高級工程師，主要從事水電廠生產(chǎn)管理工作。