汽轮机主油泵联轴器膜片可靠性技术探讨

李廷才

（山钢股份莱芜分公司能源动力厂，山东莱芜271104）

热电

汽轮机主油泵联轴器膜片可靠性技术探讨

李廷才

（山钢股份莱芜分公司能源动力厂，山东莱芜271104）

结合NK系列汽轮机用联轴器膜片故障多发的实际情况，对膜片失效原因进行分析，运用Ansys系统对联轴器膜片在各种载荷下的受力情况进行静力分析，对综合性系统改进进行了研究，对膜片联轴器可靠性和选型改造具有指导和参考意义。

膜片联轴器；失效；静力应力；系统改进

1 研究背景

膜片式联轴器是一种通过极薄的一组或几组不锈钢片作为挠性元件来传递扭矩的挠性联轴器。由于它使用方便、强度高、传递载荷能力大、补偿性能好、使用寿命长、不需要润滑，在汽轮机主油泵上得到了广泛的应用。但由于联轴器的关键部件金属膜片承担着传递扭矩和吸收不对中的重任，实际生产过程中经常损坏。莱钢能源动力厂3台NK63/80/32汽轮机组，是整个莱钢型钢冶炼生产的动力命脉，在实际生产中，3台汽轮机组先后出现了主油泵振动过大且伴有异音等情况，经过主油泵解体检查发现联轴器轴头垫片和联轴器膜片损坏，对联轴器轴头垫片和膜片进行更换，试运多次出现振动增大和伴有异音的情况。本文针对NK63/80/32汽轮机主油泵膜片联轴器为研究对像，对汽轮机联轴器膜片失效原因及运行可靠性进行技术分析。

2 失效分析

2.1 故障树分析

联轴器膜片的失效主要表现在螺栓和膜片的断裂，这与联轴器在高速运转时的振动是分不开的。

采用Semanderes算法，膜片联轴器失效故障树有9个最小割集，最小割集直接影响系统的可靠性，为系统的薄弱环节，要想提高联轴器膜片的可靠性与使用寿命，应先从该9个最小割集着手。参考理论和发生失效概率可确定，膜片联轴器的振动主要是由于装配不对中及联轴器或机组转子本身的质量偏心引起的。联轴器失效故障树图见图1。

2.2 静力分析

以NK63汽轮机用6螺栓束腰型膜片联轴器为例。

（1）基本参数。膜片轴颈圆孔半径为R=15 mm，螺栓孔数为6，螺栓孔半径为r=4 mm；膜片厚度为h=0.5 mm，膜片数量为m=10；工作参数：功率P=37 kW，转速n=4250 r/min；允许安装误差：允许的偏转角[琢]=2°，允许的轴向位移[X]=2.8mm；材料为1Cr18Ni9Ti，材料密度P=7800 kg/m3，杨氏模量E= 206GPa，泊松比：0.3。

图1 膜片联轴器失效故障树

（2）静力分析。利用Ansys有限元软件对6螺栓孔金属束腰型膜片联轴器进行静力分析，分析膜片在各种载荷下的受力情况，从而为金属束腰型膜片联轴器的结构设计、机械强度、可靠性提供理论指导和参考。力学简化模型。由于6螺栓孔金属束腰型膜片联轴器的对称性，故可对膜片取1/3进行分析研究，在Ansys软件中直接建立实体模型，膜片的1/3力学简化模型如图2所示。

图21 /3膜片力学简化模型图

在取出的1/3膜片边缘截面上采用固定约束处理；中间螺栓孔处根据不同工况分别固定径向位移和根据工作参数给定轴向位移；小孔边缘采用刚性域(加固)处理。膜片内外环边自由。根据6螺栓孔金属束腰型膜片联轴器的实际工况条件，其计算模型载荷可分为以下几种情况：扭矩产生的膜片应力、离心惯性力产生的离心应力、轴向安装误差引起的弯曲应力、角向安装误差引起的弯曲应力。

膜片的有限元网格划分模型。在Ansys中采用壳单元SHELL63按自由网格划分方式进行有限元网格划分，生成的网格划分视图如图3所示。其中，模型产生的单元数为2200，节点数为1271。由于螺栓孔附近的应力梯度较大，故网格划分得较密，而远离螺栓孔的地方其应力变化较缓，网格单元也相应的较大，节点也较疏，具体单元和节点分布情况如图4所示。

图3 有限元模型网格划分图

图4 中间孔附近网格划分视图

加载荷对几种应力进行分析，汇总结果如表1。

表1 各种应力应变数值和危险点位置

分析可得，各种工况条件下产生的最大应力应变都集中在螺栓孔内侧圆周上，并且大多数发生在螺栓孔内侧圆周中部左右两侧，说明该处亦是膜片联轴器疲劳破坏危险点之一，这与实际应用中金属膜片联轴器断裂失效情况相一致。

从应力应变数值来看，由工作载荷产生的扭矩应力和离心应力对膜片联轴器寿命的影响大于轴向和角向安装偏差所造成的影响。因而，工作中转速和转矩引起的应力效应对膜片联轴器疲劳寿命的影响有着至关重要的作用。在实际应用中，过大的转矩和过高的转速都会破坏、缩短膜片联轴器的使用寿命；当然轴向和角向安装偏差所产生的附加应力也不容忽视，要尽量提高膜片联轴器的安装精度，减少偏差，从而减小附加应力。

3 系统改进

3.1 校正排除轴承座的潜在影响。

（1）精加工两块平垫铁，安装在主油泵下部底面左右两端，保证垫铁与主油泵底面之间的接触面积，增加对轴承座支撑强度，保证转子轴向膨胀时主油泵沿垫铁平面与其同步水平运动，起到一定的导向定位作用，保证主油泵在汽轮机开机受热膨胀发生位移时，始终保持在一个平面上，中心不发生过大偏移。

（2）调整1#轴承座水平，并重新校订轴承座与转子扬度。将1#轴承座导向立键球面垫圈间隙调整到规定值，避免轴承座膨胀时卡涩。

3.2 控制膜片的静拉变形量。

参照安装数据，计算得出将联轴器中心两端接触面突出部位车去0.6 mm，使联轴器轴向尺寸缩短；减小安装后联轴器两端面与主动轴传动轴两端面的间距，对接法兰两端面t1+t2总间隙平均值大于两膜片厚度之和在0～0.40 mm。锁定联轴器轴向窜动范围，控制螺栓对膜片的静拉变形量。

3.3 联轴器膜片分析改进。

联轴器膜片主要受3个力，机组大轴给它的轴向推力、汽轮机旋转扭矩所产生的薄膜应力和惯性离心应力。而膜片为弹性膜片，轴向推力不会对其造成破坏性影响。重点研究扭矩所产生的薄膜应力和惯性离心应力。

（1）扭矩产生的薄膜应力。设传递的扭矩为T,总片数为m,螺栓孔数为n，膜片半径为r，由简化条件知：每个主螺栓上所受的力为F=T/nmr。可见同等条件下，膜片受力与片数和螺栓孔数成反比。四孔膜片联轴器要比更多孔的承受应力要大得多，必然容易损坏。

（2）横向刚度

将实验数据拟合可得出联轴器的横向刚度：四螺栓膜片:K=2000 N/m；六螺栓膜片:K=3000 N/m。可见六螺栓孔膜片刚度要优于四螺栓孔膜片，而刚度也是影响膜片联轴器能否长期运行的重要因素。

（3）惯性产生的离心应力

联轴器简化的力学模型是一个二自由度的弹簧一质量系统。得到联轴器的一阶临界转速频率的计算式为：

影响联轴器临界转速的因素有两个，一个是膜片的刚度，一个是中间节的质量，与膜片的刚度成正比，与中间节的质量成反比。实施中联轴器中间节重量不变，均为3 kg，将所得刚度数据代入式中可得到四螺栓联轴器临界转速为50.3 Hz，六螺栓临界转速为75.5 Hz。六螺栓联轴器比四螺栓联轴器能能承受更大的临界转速。

离心应力可以按径向力F=(2∏n/60)2rp加载。通过前面的临界转速计算知，四螺栓膜片临界转速为50.3 Hz，即3018 r/min，工作在4250 r/min的转速造成惯性离心应力超出承受能力而使膜片过量变形，进而加剧径向和角度偏转力等其他应力，对联轴器膜片造成巨大冲击破坏。

4 结论

经过以上综合改造，型钢2#汽轮机组自2012年运行至今，各项振动指标等综合性能良好，检查膜片无磨损、断裂现象，提高了机组的运行稳定性。目前该技术已成功运用到1#、3#汽轮机组上，效果良好。本文对汽轮机主油泵膜片联轴器的失效原因分析、受力验证，找出了工作中转速和转矩是影响膜片联轴器疲劳寿命的关键因素。在综合改造的基础上，对六孔束腰型膜片和四螺栓孔方孔型膜片从力学角度进行了对比分析，成功运用于生产实践，提高了膜片联轴器运行可靠性。

[1]申屠留芳，汤洪涛，王成轩.叠片联轴器膜片的应力及其影响因素分析[J].机械强度，1998，(04)：3-4

[2]徐伟，冯桂军，周凯勤.膜片联轴器的强度与刚度分析[J].机械结构强度，1992，9(5):15-16

[3]何玉林，廖晖，杜静.膜片联轴器的膜片强度疲劳有限元分析[J].机械与电子，2008，(5)：2

A Technical Discussion on the Reliability of the Coupling Diaphragm in the Main Oil Pump of Rolling Mill

Li Tingcai
(The Energy Power Plant of Laiwu Steel of Shandong Iron and Steel Group,Laiwu,Shandong 271104,China)

Regarding to the facts of frequent failures of coupling diaphragm in NK steam turbine,causes of the failures was analyzed.Ansys system was used to analyze the static stress on the coupling diaphragm under various loads and comprehensive system optimization was studied,providing guidance and reference to reliability improvement and type selection of diaphragm coupling.

diaphragm coupling;failure;static stress;system improvement

TK26

B

1006-6764（2014）09-0038-03

2014-02-18

李廷才：（1980-）男，大学本科学历，工程师，现从事汽轮机技术工作。