軸流式風(fēng)機(jī)葉輪脫落事故原因分析及改進(jìn)措施

陳栩坤

（廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司,廣州 510000）

軸流式風(fēng)機(jī)葉輪脫落事故原因分析及改進(jìn)措施

陳栩坤

（廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司,廣州 510000）

本文通過(guò)一起軸流式風(fēng)機(jī)整個(gè)葉輪脫落事故進(jìn)行事故原因分析，并闡述了葉輪鎖緊螺栓受力情況及葉輪鎖緊要求理論計(jì)算方法，再根據(jù)前面闡述提出該事故中葉輪鎖緊的改進(jìn)措施。

軸流式風(fēng)機(jī);葉輪;受力分析

0 引言

2012年在某個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)出現(xiàn)2臺(tái)空氣散熱器的軸流式風(fēng)機(jī)整個(gè)葉輪脫落導(dǎo)致相應(yīng)風(fēng)塔不得不停止發(fā)電事故。事故發(fā)生后，從外表現(xiàn)象上判斷，可能有如下4種原因：1）鎖緊螺栓的旋入深度不夠；2）性能等級(jí)為4.8級(jí)的鎖緊螺栓強(qiáng)度不夠；3）鎖緊螺栓螺紋旋向與葉輪轉(zhuǎn)向一致，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)因慣性作用造成鎖緊螺栓松動(dòng)；4）鎖緊螺栓未被有效擰緊。對(duì)于以上可能原因能否經(jīng)得住考究呢？本文將根據(jù)相關(guān)理論分析對(duì)以上可能原因進(jìn)行一一核實(shí)，并根據(jù)分析情況，推斷出此事故的真正原因，最后提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 軸流式風(fēng)機(jī)葉輪鎖緊方式介紹

本文所介紹軸流式風(fēng)機(jī)葉輪鎖緊方式是通過(guò)適當(dāng)厚度的鎖緊墊圈和鎖緊螺栓實(shí)現(xiàn)，葉輪使用鎖緊螺栓為M10×60，如圖1所示。

2 風(fēng)機(jī)葉輪輪盤脫落的原因分析

圖1

現(xiàn)通過(guò)相關(guān)理論進(jìn)行分析，對(duì)可能原因一一核對(duì)。

2.1 鎖緊螺栓的旋入深度要求

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第2卷對(duì)螺釘擰入盲孔的要求可知，對(duì)于M10螺釘，盲孔型螺紋孔的螺紋深度為13mm，螺釘?shù)穆菁y擰入深度為10mm。而此次事故中，經(jīng)過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的內(nèi)螺紋孔進(jìn)行實(shí)測(cè)，經(jīng)測(cè)量螺紋內(nèi)孔的長(zhǎng)度為16.5mm，大于設(shè)計(jì)手冊(cè)要求的13mm。同時(shí)，葉輪鎖緊螺釘選用規(guī)格為M10×60，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，螺釘鎖緊后的擰入深度在15mm左右，大于設(shè)計(jì)手冊(cè)要求的10mm旋入深度，全部均符合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)要求，因此，鎖緊螺栓的旋入深度不夠的原因判斷不成立。

2.2 性能等級(jí)為4.8級(jí)的鎖緊螺栓強(qiáng)度要求

在此次事故中，風(fēng)機(jī)垂直安裝且運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪的受力分別有：G為電機(jī)葉輪自身重量；f為葉輪內(nèi)孔與電機(jī)轉(zhuǎn)軸過(guò)渡配合所產(chǎn)生的摩擦力；A為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的軸向推力；F為鎖緊螺栓的預(yù)緊力為；N為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸反作用力；在此次受力分析中摩擦力f可以忽略不計(jì)，則可得如下公式：F＝G+A+N；由此可知，螺栓旋緊時(shí)，螺栓預(yù)緊力F/安全系數(shù)SS ≥ G+A，則可以實(shí)現(xiàn)葉輪安全鎖緊。

（1）電機(jī)葉輪自身重量計(jì)算：經(jīng)實(shí)際稱重，電機(jī)葉輪的重量為3.5Kg，那么G＝mg＝35 N；

（2）葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的軸向推力計(jì)算：當(dāng)氣體流經(jīng)葉輪時(shí)，葉輪對(duì)它做功使得壓力提高，同時(shí)產(chǎn)生反向的軸向推力A，軸流式風(fēng)機(jī)葉輪的受力分別有：p1為進(jìn)口壓力，p2為出口壓力，而p2大于p1，由于兩邊壓差使其產(chǎn)生軸向推力A，此推力需通過(guò)鎖緊螺栓傳遞到軸承所負(fù)擔(dān)而平衡。因此，對(duì)此事故的葉輪所受的軸向推力A計(jì)算如下：葉片的軸向投影面積約：18700*9＝168300 mm2＝0.168 m2；葉輪輪盤的面積約：0.032 m2。那么，總軸向受力面積：S＝0.032+0.168＝0.2 m2根據(jù)風(fēng)機(jī)選型手冊(cè)可知，在額定工況運(yùn)行時(shí)，此款葉輪全壓為321 Pa，即是（P2-P1）＝321 Pa；由此可知，葉輪的軸向推力A＝（P2-P1）*S=321*0.2＝64.2 N

（3）葉輪鎖緊螺栓的預(yù)緊力計(jì)算。4.8級(jí)的螺栓要求的擰緊力矩T為20 N.m；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第2卷》，螺栓預(yù)緊力的計(jì)算如下：擰緊扭矩T轉(zhuǎn)換為預(yù)緊力F的公式：T=K×F×d×10-3，其中K為擰緊力系數(shù)，d為螺紋公稱直徑；再查表可知，無(wú)潤(rùn)滑的鍍鋅螺栓K＝0.22，最終得出：F= T/K×d×10-3≈9090 N

（4）葉輪鎖緊螺栓安全系數(shù)。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)應(yīng)表格可知，在變載荷中，碳鋼螺栓預(yù)緊連接最大安全系數(shù)Ss＝10。通過(guò)以上計(jì)算和查表可最終得出：F/10=909 N ＞ G+A≈99 N，即是4.8級(jí)螺栓的預(yù)緊力完全滿足此事故的葉輪鎖緊要求，因此，性能等級(jí)為4.8級(jí)的鎖緊螺栓強(qiáng)度不夠的原因判斷不成立。

2.3 鎖緊螺栓螺紋旋向與葉輪轉(zhuǎn)向關(guān)系

葉輪的鎖緊螺栓是對(duì)稱件，安裝在軸中心，理論上不受離心力；而且螺栓的質(zhì)量很小，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力遠(yuǎn)小于螺紋擰緊后的摩擦力，此旋轉(zhuǎn)慣性力可以忽略不計(jì)。退一步考慮，此旋轉(zhuǎn)慣性力對(duì)螺栓鎖緊有影響，那么，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的葉輪，在電機(jī)啟動(dòng)期間，此旋轉(zhuǎn)慣性力與螺栓松開(kāi)方向一致，而在電機(jī)停止期間，此旋轉(zhuǎn)慣性力與螺栓擰緊方向一致；而逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的葉輪則剛好相反，因此，不管是葉輪是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，螺栓旋轉(zhuǎn)慣性力對(duì)螺栓鎖緊的影響是相近的；因此，鎖緊螺栓螺紋旋向與葉輪轉(zhuǎn)向一致，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)因慣性作用造成鎖緊螺栓松動(dòng)的原因判斷不成立。

2.4 鎖緊螺栓未被有效擰緊

該風(fēng)場(chǎng)僅出現(xiàn)2臺(tái)空氣散熱器風(fēng)機(jī)葉輪脫落，屬于極個(gè)別現(xiàn)象，同時(shí)，其他可能的3個(gè)可能原因已被排除。因此，筆者認(rèn)為，在此次事故中，造成葉輪脫落的原因是：鎖緊螺栓未被有效擰緊，屬于安裝過(guò)程施工人員疏忽造成。經(jīng)過(guò)1年多運(yùn)行，除剛開(kāi)始出現(xiàn)的2臺(tái)空氣散熱器風(fēng)機(jī)葉輪脫落外，該風(fēng)場(chǎng)再未出現(xiàn)類似葉輪脫落現(xiàn)象。事實(shí)再次證明此事故的原因。

3 風(fēng)機(jī)葉輪鎖緊的改進(jìn)措施

雖然此次事故中葉輪脫落是有安裝過(guò)程施工人員疏忽造成，但是葉輪鎖緊作為關(guān)鍵部分，其單靠彈簧墊圈防松，方法過(guò)于簡(jiǎn)單。因此，為了杜絕類似問(wèn)題的出現(xiàn)，筆者建議對(duì)葉輪鎖緊方式增加機(jī)械防松零件，使得鎖緊螺栓是否鎖緊更有效更直觀地被識(shí)別，同時(shí)，增加了雙重保險(xiǎn)。增加機(jī)械防松零件的實(shí)現(xiàn)方法：利用葉輪內(nèi)孔的原有鍵槽，增加一個(gè)雙耳止動(dòng)墊圈，與彈簧墊圈形成雙重防松的鎖緊方式。

實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)增加機(jī)械防松的葉輪鎖緊方式，雖然葉輪安裝過(guò)程增加一點(diǎn)工作量，但確實(shí)非常有效地避免了類似的葉輪脫落事故發(fā)生，同時(shí)，提高了安全性能，為風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行提供有力的理論保障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，作為風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)件的葉輪，其鎖緊方式是相當(dāng)關(guān)鍵，但由于看似簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)過(guò)程往往容易被忽視，這就可能因設(shè)計(jì)考慮不全面，而為后續(xù)安裝工作出錯(cuò)埋下伏筆，造成不必要的損失。因此，葉輪鎖緊方式設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各種因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是風(fēng)機(jī)順利安裝、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。

[1]昌澤舟等.軸流式通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第4版）第2卷[K].

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.030