紀(jì)烈鵬

（中國(guó)石化天津分公司熱電部，天津 300271）

1 故障現(xiàn)象

某電站#10 鍋爐給水泵為全抽芯包式高壓定速給水泵，型號(hào)為135SB Ⅱ-JA 型。為適應(yīng)母管制系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)整的需要和節(jié)能目的，將該給水泵加裝液力調(diào)速偶合器（型號(hào)為YOTFC580），改造為調(diào)速型給水泵，并投入連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行。兩個(gè)多月后，運(yùn)行中的#10調(diào)速給水泵突然失壓，由16 MPa突降至0，并迅速自動(dòng)聯(lián)鎖啟動(dòng)備用給水泵。

隨后安排對(duì)該泵進(jìn)行了檢查，分別盤(pán)動(dòng)電機(jī)側(cè)和泵側(cè)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)均正常、無(wú)偏重現(xiàn)象。檢查各聯(lián)鎖接點(diǎn)無(wú)異常。啟動(dòng)偶合器輔助油泵和給水泵潤(rùn)滑油泵，檢查運(yùn)行參數(shù)正常后，試啟動(dòng)#10 給水泵。檢測(cè)電機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均正常，轉(zhuǎn)向正確、振動(dòng)狀態(tài)合格。檢查偶合器油位符合要求，然后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整偶合器勺管進(jìn)行升速，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)升速調(diào)整過(guò)程中輸出轉(zhuǎn)速始終為零，因此判斷偶合器發(fā)生故障。

2 故障原因分析

2.1 偶合器工作原理

YOTFC型偶合器相當(dāng)于離心泵泵輪和渦輪的各一半相對(duì)組合，兩者之間無(wú)機(jī)械聯(lián)系（保持一定的間隙）。在工作狀態(tài)下，給水泵電機(jī)的動(dòng)力帶動(dòng)與之相連接的偶合器泵輪，泵輪旋轉(zhuǎn)將與之相對(duì)配合的渦輪間的工作液的動(dòng)能和壓能傳遞并轉(zhuǎn)換成渦輪的機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)能量的柔性傳遞，使渦輪帶動(dòng)給水泵軸旋轉(zhuǎn)。

由于泵輪與轉(zhuǎn)動(dòng)外殼相連，因此運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)外殼腔中的油隨轉(zhuǎn)動(dòng)外殼一起以與泵輪相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這樣可以通過(guò)改變外殼腔中勺管的位置來(lái)控制腔內(nèi)工作液油環(huán)的厚度，即改變工作腔中的油量，就可以在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的條件下實(shí)現(xiàn)工作機(jī)（給水泵）的無(wú)級(jí)調(diào)速。

偶合器中的工作油液是由固定在偶合器箱體前端垂直面上的主油泵將油箱內(nèi)的油經(jīng)冷卻器冷卻后返回來(lái)供給偶合器，并且供給偶合器各軸承潤(rùn)滑用油（偶合器剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)由系統(tǒng)中的輔助油泵供油，正常運(yùn)行時(shí)主油泵供油，輔助油泵退出）。運(yùn)行中主油泵的工作動(dòng)力則是通過(guò)一對(duì)相嚙合的齒輪副傳遞過(guò)來(lái)的偶合器主傳動(dòng)軸上的動(dòng)力，保持主油泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。偶合器結(jié)構(gòu)和工作系統(tǒng)分別見(jiàn)圖1和2。

2.2 偶合器揭蓋檢查情況

圖1 偶合器結(jié)構(gòu)

圖2 偶合器工作系統(tǒng)

拆卸偶合器上蓋檢查，發(fā)現(xiàn)：1）主軸傳動(dòng)嚙合齒輪副磨損。該對(duì)齒輪為正齒輪副，齒側(cè)嚙合面均磨出約1 mm厚的帶狀缺損，未出現(xiàn)點(diǎn)蝕情況；2）從動(dòng)齒輪輸出端軸套內(nèi)孔鍵槽與相配合的主油泵軸上鍵槽均被拉豁，已滾鍵，并呈剪切狀碎裂，碾壓有不少碎屑，造成傳動(dòng)力失效；3）滾珠軸承花籃碎裂；4）傳動(dòng)齒輪副的從動(dòng)輪軸端鎖母脫落，鎖母防松墊片防松齒斷裂。主油泵（齒輪泵）為一對(duì)斜齒輪組，除軸頭鍵槽拉豁外，其余檢查正常。

2.3 原因分析

該類(lèi)偶合器的工作油液是由主軸通過(guò)傳動(dòng)齒輪副傳遞動(dòng)力給主油泵，主油泵將油箱內(nèi)的工作油經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻后輸送至偶合器泵輪和渦輪之間來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生偶合動(dòng)力的傳導(dǎo)并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速（功率）。當(dāng)主油泵的泵軸滾鍵后，傳動(dòng)失效，致使偶合器泵輪和渦輪腔內(nèi)失去工作動(dòng)力油的供給，導(dǎo)致偶合器工作動(dòng)力傳遞失效。故該次故障不是偶合器核心部分泵輪渦輪的問(wèn)題，而是一個(gè)動(dòng)力傳遞失效的問(wèn)題。

2.3.1 偶合器主油泵傳動(dòng)設(shè)計(jì)不合理

偶合器供給主油泵的動(dòng)力由一對(duì)直齒嚙合的齒輪副完成，嚙合比為2∶1，小齒輪軸獲得的轉(zhuǎn)速為1 450 rpm，即主油泵的轉(zhuǎn)速為1 450 rpm。主油泵為齒輪泵（斜齒），排量為500 mL/r，排出壓力為2.5 MPa，根據(jù)公式（1）計(jì)算可得主油泵的有效功率PT為29.61 kW。

式中：PT—泵的有效功率，kW；Q—泵流量，m3/min；H—泵總揚(yáng)程，m H2O；γ—液體介質(zhì)的比重，㎏/m3。

由式（2）可得泵軸上的扭轉(zhuǎn)力矩為194.93 N·m，該值為泵正常工作時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。

式中：P—水泵軸功率，kW；M—泵軸上的扭轉(zhuǎn)力矩，kg·m；n—水泵轉(zhuǎn)速，rpm。

從動(dòng)齒輪傳動(dòng)軸與主油泵連接件為圓頭平鍵連接。圖3 為從動(dòng)齒輪的軸套用平鍵與泵軸聯(lián)接處的截面受力分析。

該處設(shè)計(jì)齒輪泵軸的直徑d 為32 mm，鍵的尺寸（l×b×h）為40×10×8。

那么主油泵軸上的鍵所能承受的扭矩為：

TJ＝kLd[δ]p/2000

圖3 鍵與泵軸聯(lián)接處截面受力分析

式中：TJ—扭矩，N·m；k—鍵與輪轂配合高度，mm；L—鍵的工作長(zhǎng)度，mm；[δ]p—許用擠壓應(yīng)力，MPa。

假定該傳動(dòng)過(guò)程中持續(xù)受到輕微沖擊載荷，查表選取[δ]p為100，可求得TJ為168 N·m 。

顯然，通過(guò)以上計(jì)算可知，該鍵所能夠傳遞的扭矩不能夠滿(mǎn)足該主油泵正常工作時(shí)的需要，發(fā)生滾鍵或傳動(dòng)鍵遭受破壞是必然的。

2.3.2 傳動(dòng)中存在沖擊載荷

如果說(shuō)設(shè)計(jì)傳動(dòng)力矩過(guò)小的話(huà)，那么另一個(gè)原因就是在傳動(dòng)過(guò)程中附加了一個(gè)沖擊載荷。這個(gè)沖擊載荷的存在或?qū)е铝碎L(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)齒輪副及支撐套以及滾珠軸承的疲勞損壞。那么，沖擊載荷是如何產(chǎn)生的呢？

1）軸承箱座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)

這種鋼板焊接結(jié)構(gòu)在焊接成型后，如果在出廠前沒(méi)有進(jìn)行充分的回火熱處理來(lái)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸就進(jìn)行尺寸加工（如軸承座），那設(shè)備出廠后在長(zhǎng)期運(yùn)行中就會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放，使應(yīng)力集中點(diǎn)處發(fā)生較為明顯的變形，這樣就導(dǎo)致了軸承座與軸間的平行度變差，超出制造標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行中軸承座承受來(lái)自嚙合齒輪付的扭矩時(shí)，由于是焊接結(jié)構(gòu)，且主油泵兩軸承間距離較短、軸承座自身剛度較差等原因?qū)е碌挚古ぞ仄珨[的能力較差。在運(yùn)行中，由于剛度不足等因素便產(chǎn)生了垂直支持力之外的其他方向的分力，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行軸承座內(nèi)腔就會(huì)產(chǎn)生磨損，軸承座發(fā)生彈性甚至塑性變形等故障。因此，在長(zhǎng)期交變應(yīng)力載荷的作用下，內(nèi)腔磨損增大，疲勞變形幅度增大，導(dǎo)致沖擊載荷加劇、噪音越來(lái)越大，直至軸承及傳動(dòng)鍵損壞，發(fā)生傳動(dòng)失效現(xiàn)象。

2）齒輪軸套剛度較差

齒輪傳動(dòng)套為中空的管狀結(jié)構(gòu)，在高強(qiáng)度的傳動(dòng)過(guò)程中，極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，交變應(yīng)力的產(chǎn)生，導(dǎo)致齒輪嚙合狀態(tài)變差，齒輪套端部的齒輪鎖母防松墊片在持續(xù)受到交變沖擊的狀態(tài)下咬合齒最終折斷，鎖母松脫脫落，噪音、振動(dòng)變大。

3）軸承類(lèi)型選用不當(dāng)

該偶合器選用的主油泵傳動(dòng)軸承為兩盤(pán)徑向球軸承，由于上述沖擊載荷的存在，軸承不能滿(mǎn)足運(yùn)行條件，不能承受運(yùn)行中產(chǎn)生的軸向分力。故在偶合器連續(xù)運(yùn)行中，軸承壽命縮短，運(yùn)行狀態(tài)逐漸劣化，導(dǎo)致沖擊載荷逐漸加劇。因此，建議選用兩盤(pán)圓錐滾子軸承替代。

4）齒輪副中心線(xiàn)不平行

軸承座的變形或軸承的破壞，導(dǎo)致齒輪副兩齒輪軸中心線(xiàn)不平行，嚙合齒長(zhǎng)接觸面減小，嚙合狀態(tài)變差，發(fā)出撞擊噪聲，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致齒側(cè)磨損加劇，使沖擊載荷增加。

2.3.3 齒輪副缺少專(zhuān)門(mén)的潤(rùn)滑點(diǎn)

機(jī)械傳動(dòng)齒輪副的設(shè)計(jì)應(yīng)有必要的潤(rùn)滑點(diǎn)，但檢查該齒輪副嚙合位置未布置潤(rùn)滑點(diǎn)，因此造成齒輪磨損、嚙合不良、噪聲增大、發(fā)熱冒煙等現(xiàn)象。

一般加裝潤(rùn)滑點(diǎn)需考慮以下3種方式：

1）油浴式。即需潤(rùn)滑的旋轉(zhuǎn)部件下部一定高度部分浸潤(rùn)在油位下，運(yùn)行中連續(xù)帶起潤(rùn)滑油液保持摩擦接觸點(diǎn)潤(rùn)滑用油的需要。對(duì)于該偶合器，觀察正常的油位與齒輪下部之間仍有一定的距離，且偶合器正常運(yùn)行時(shí)對(duì)油箱油位的高度有限制，高度不能超過(guò)上限，因此該方式不滿(mǎn)足潤(rùn)滑條件，不可能采取油浴式潤(rùn)滑。

2）點(diǎn)滴式潤(rùn)滑。點(diǎn)滴式潤(rùn)滑是在潤(rùn)滑點(diǎn)上部加裝專(zhuān)門(mén)的淋油嘴來(lái)供給該潤(rùn)滑點(diǎn)用油需要。觀察該偶合器的齒輪副嚙合接觸點(diǎn)，需要從內(nèi)部壓力潤(rùn)滑油管引過(guò)來(lái)，適合在該嚙合齒輪副上端加裝一個(gè)淋油嘴，進(jìn)行點(diǎn)滴式潤(rùn)滑。但該方式也存在一定風(fēng)險(xiǎn)，就是有可能降低軸承潤(rùn)滑母管的壓力，造成該油管原供油點(diǎn)供油量不足的情況，所以制作中需要控制淋油嘴的淋油量，合理分配各潤(rùn)滑點(diǎn)的油量是該潤(rùn)滑方式的關(guān)鍵。

3）油霧式潤(rùn)滑。油霧式潤(rùn)滑是在運(yùn)行時(shí)利用原油箱內(nèi)霧化的油環(huán)境進(jìn)行自然潤(rùn)滑。這種潤(rùn)滑方式需要特定的油霧形成環(huán)境，并且需潤(rùn)滑點(diǎn)的接觸載荷不大的情況。但在大扭矩的動(dòng)力傳輸中，采用此種方式的潤(rùn)滑效果是不可靠的。

以上潤(rùn)滑方式的分析表明，引起齒輪副磨損的原因是該點(diǎn)摩擦副缺少潤(rùn)滑或齒輪副工作中潤(rùn)滑油量較少。缺油導(dǎo)致摩擦加劇，產(chǎn)生磨損。故該處嚙合點(diǎn)應(yīng)采取點(diǎn)滴式潤(rùn)滑比較合適，需設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的潤(rùn)滑淋油點(diǎn)。

3 處理措施

綜上分析，對(duì)于該型調(diào)速偶合器應(yīng)采取以下措施進(jìn)行改造：

1）更換已磨損的齒輪副、軸承套，改進(jìn)軸承等備件，按廠家要求測(cè)量調(diào)準(zhǔn)傳動(dòng)齒輪副的嚙合間隙。

2）修復(fù)鍵槽、配鍵。修整原損壞鍵槽，鍵槽長(zhǎng)度不變，寬度由10 mm加大為12 mm；另外，在該鍵槽對(duì)側(cè)180°對(duì)稱(chēng)位置加開(kāi)一個(gè)與原鍵槽尺寸相同的鍵槽；雙側(cè)鍵槽配鍵回裝。此時(shí)，采用雙鍵傳遞扭矩為單鍵傳遞扭矩的1.5 倍，根據(jù)計(jì)算，此時(shí)能傳遞的扭矩為252 N·m，完全能滿(mǎn)足在輕載荷沖擊條件下扭矩傳遞的要求，并且也具有較高的扭矩傳遞安全系數(shù)。

3）加裝齒輪副潤(rùn)滑點(diǎn)，采用點(diǎn)滴式潤(rùn)滑。維修中用一根小銅管在偶合器潤(rùn)滑油母管上引一路至該齒輪副，對(duì)準(zhǔn)嚙合點(diǎn)并將頭部拍扁做成油嘴。注意控制好潤(rùn)滑流量，既要保證潤(rùn)滑效果，又不影響偶合器其他軸承的用油量。

4）建議對(duì)主油泵傳動(dòng)軸承座再焊接一組加強(qiáng)筋（四個(gè)方向）進(jìn)行加固，條件允許的情況下進(jìn)行回火處理，充分釋放應(yīng)力后再按圖紙尺寸進(jìn)行機(jī)加工，找正主油泵軸與主軸的平行度。

5）進(jìn)行徹底改造。該次故障究其最根本原因是由于設(shè)計(jì)不合理。鑒于以上分析，該偶合器的內(nèi)置式主油泵在內(nèi)置方式上也存在重大缺陷，方法上可以采取軸承箱內(nèi)部底座式主油泵來(lái)增強(qiáng)支撐剛度和傳動(dòng)穩(wěn)定性，或改造為外置式主油泵（外加動(dòng)力，一用一備）更為穩(wěn)妥。該方案為備選方案，待以后進(jìn)行論證，并在具備改造條件后立項(xiàng)實(shí)施。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)分析和檢修，逐一排除了該型調(diào)速偶合器存在的缺陷，使之能夠正常穩(wěn)定投入運(yùn)行。同時(shí)，為徹底消除隱患制定了指導(dǎo)性方案，以期日后條件具備時(shí)進(jìn)行改造實(shí)施。設(shè)備制造時(shí)一定要深入研究其結(jié)構(gòu)機(jī)理，完善制造工藝，使用時(shí)精心維護(hù)，檢修時(shí)要認(rèn)真分析原因，對(duì)癥下藥才能從根本上解決缺陷問(wèn)題，保障設(shè)備的正常運(yùn)行。