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摘要：本文主要论述风机电机底板撕裂和风机风叶紧固螺栓断裂两个方面故障产生的原因及采取的措施。
关键字：电机底板裂纹、联轴节改进、螺栓断裂、预防措施
【分类号】：TQ051.2
引言
一般化工厂凉水塔风机均为轴流风机，其结构是由电机-轴-支撑轴承-减速机以及风叶组成，减速机为三级齿轮传动减速，电机转数1500rpm左右，风叶转数100rpm左右。凉水塔风机担负着整个厂循环冷却水的冷却任务，该风机若不能安全运转，将直接影响整个厂的经济效益。下面以辽阳石化烯烃厂的凉水塔风机为例，就影响风机安全运转的因素逐一进行分析。
一、电机底板撕裂
烯烃厂的凉水塔轴流风机共8台，是国外进口设备，单台设备能力为2.7×106NM/H，电机输出功率210KW，风机输出功率170KW，减速机为二级齿轮传动减速，电机转数1475rpm，风叶转数132rpm。
在90年至93年5月前的时间里，风机的电机底板经常出现撕裂现象，撕裂的部位在底板螺栓孔周围，最长的裂纹约为120毫米。裂纹的存在，使电机的运行处于不安全状态，直接影响风机的对中，恶化减速机齿轮的传动，大大降低了风机的使用寿命。
为解决电机底板裂纹这一隐患，我们对裂纹的产生原因做了现场调查，依据调查结果，得知电机底板裂纹产生的重要原因是，当风机运转不正常时，因齿轮或传动轴某部位出现缺陷或故障时，风机的输入功率将增大，即电机输出的功率将大于正常运行时的功率，由此使输出转动力矩增大。在风机的振动报警联锁自停装置失灵的情况下，由于电机转动的力矩增大而电机联轴节处的蛇形弹簧卡不被扭断，因而使底板在强外力作用下发生位移，导致局部断裂，借此来缓解外力的作用。
电机与联轴节之间联接传动的为蛇形弹簧卡，此卡起安全保护及传动作用，如果在电机负荷增大至一定限度时，此卡由于不能承受此时的扭矩而被扭断，电机与风机脱离，则电机空转，底板撕裂现象将不会发生。在未改进前，装配时用两套蛇形卡，电机超负荷运转时，也不易扭断，造成电机底板撕裂。现去掉一套，经计算（见后）得知，一套蛇形卡正常运转时所受的剪应力为39.1kg/cm2<<许用剪应力951.5kg/cm2，因此，采用一套蛇形弹簧卡的计划是可行的。
经过几年的生产实践证明，联轴节改进装配方法后，即满足了生产的需要，又对设备起到了一定的保护作用，消除了底板裂纹，取得了较大的经济效益。
计算步骤：
电机扭矩：P电机=9545N电/n电=9545×210/1475=1359.5牛·米
其中：N电为电机输出功率 n电为电机转数
视蛇形弹簧卡为薄壁圆管，则其抗扭截面模量：
Wp=2πr2t=2×3 .14×842×8=354493（mm）3
其中r为弹簧卡半径 t为弹簧卡厚度
正常运转时剪应力：
τ= P电机/ Wp=（1359.5×1000）/ （354493×9.8）=39.1 kg/cm2
根据弹簧材料65Mn，工作温度为100°C，查得σs（屈服应力）为1730 kg/cm2，根据许用剪应力和许用拉应力之间关系，则其许用剪应力为：[τ]=0.55[σs]=0.55×1730=951.5 kg/cm2
由此可知：τ<<[τ]
二、风机风叶紧固螺栓断裂
风机自79年投入运行至93年，据资料记载，因风机风叶紧固U型螺栓断裂造成设备恶性事故二起，设备故障停车7起。螺栓断裂使风叶失控飞出，严重地破坏了风机的动态平衡，减速机齿轮啮合状态急剧恶化，齿轮在极短的时间便出现打齿、折齿现象，风机振动加剧，对机座的水泥基础梁产生了不同程度的破坏，整个传动系统乃至驱动电机均受到不同程度的破坏和影响。
为保证设备安全运行，针对螺栓断裂而发生的检修进行系统的资料统计，据此分析U型螺栓断裂情况如下：
1、螺栓断裂处的分布规律
从所经历的三次螺栓断裂现场考察以及以往的资料记载，运转是由于风叶端部螺栓的左侧受力最大，断裂多从此处发生。
2、螺栓断裂产生的原因
（1）螺栓承载不均
风叶紧固螺栓为M36U型细牙螺栓，材质为38CrA，风叶每支重量约为150Kg，风叶长为3860mm，宽约为1200 mm。以前螺栓为支点，利用杠杆平衡原理，计算出里侧单个螺栓静止时受力为496 Kg，由此可计算出螺栓预紧状态下的应力σca=86.6 kg/cm2，查38 CrA螺栓许用应力[σ]=1930 kg/cm2，由此可知σca小于[σ]。
即使风阻力与重力等叠加所产生的应力也是远小于螺栓的许用应力的，因此可得出38CrA材质的M36U型螺栓能够满足卡紧风叶的需要，使风叶正常运行。
但根据几次螺栓断裂情况来看，左侧螺栓受力大于右侧螺栓，因此其σca也将增大。
（2）螺栓质量差
根据资料记载，风机运转初期风叶使用的为国外螺栓，材质为38CrA，效果较好，四年间仅断过1次，未造成设备事故，其后开始使用国产40Cr材质螺栓，四年间断裂7次，造成2次嚴重事故，改回38CrA后，四年仅发生一次断裂现象，未造成大的损失。
（3）装配不当
风叶为两道U型螺栓固定，在固定风叶时，螺栓装配两端有时不能保持在同一水平面，偏差最大时为30 mm，由于偏差的存在，使紧固后的螺栓呈倾斜状，螺栓受力状态恶化。
（4）予紧力过大，造成螺栓工作时承载能力下降
在固定风叶紧固螺栓时，用长约1.5米的加长搬手拧紧螺栓，由于作业空间狭小，紧固很不方便，需3～4人合力推、拉国长搬手，另外由于风叶前后螺栓位置的差异，使两螺栓所受紧力也不相等，为使风叶牢固，螺栓常常拧得非常紧，且由于作业空间的限制，搬手与螺栓面不垂直，故在紧固时螺母上升过程如同对螺栓套扣，严重的破坏了螺栓根部表面，使螺栓抗拉、抗剪强度下降。
（5）风叶转动矩不等
风叶角度安装偏差过大，也会使风机的动平衡不好，造成螺栓受力大于正常运时所受的力。
综上所述因素加在一起，就导致了U型螺栓的断裂。
3、采取的措施
（1）合理调配螺栓
为延长螺栓使用寿命，改善螺栓受力状态，我们定期将里、外侧U型螺栓对调，并使左、右端换位，从而延长了其使用寿命。
（2）加强螺栓材质及加工质量的检查
（3）保证螺栓的安装质量
安装时，尽量使螺栓两端面高度差为零，先紧短、后紧长，消除螺栓的倾斜现象，改善螺栓的受力状况。
（4）限制予紧力，提高螺栓的承载能力
在紧固风叶时，采用力矩搬手。
（5）正确使用风叶，严格控制风叶角度
通过对上述影响风机正常运转因素的分析，采取了相应的预防措施，减少了风机的故障率，使风机能够长周期的运转。
关键字：电机底板裂纹、联轴节改进、螺栓断裂、预防措施
【分类号】：TQ051.2
引言
一般化工厂凉水塔风机均为轴流风机，其结构是由电机-轴-支撑轴承-减速机以及风叶组成，减速机为三级齿轮传动减速，电机转数1500rpm左右，风叶转数100rpm左右。凉水塔风机担负着整个厂循环冷却水的冷却任务，该风机若不能安全运转，将直接影响整个厂的经济效益。下面以辽阳石化烯烃厂的凉水塔风机为例，就影响风机安全运转的因素逐一进行分析。
一、电机底板撕裂
烯烃厂的凉水塔轴流风机共8台，是国外进口设备，单台设备能力为2.7×106NM/H，电机输出功率210KW，风机输出功率170KW，减速机为二级齿轮传动减速，电机转数1475rpm，风叶转数132rpm。
在90年至93年5月前的时间里，风机的电机底板经常出现撕裂现象，撕裂的部位在底板螺栓孔周围，最长的裂纹约为120毫米。裂纹的存在，使电机的运行处于不安全状态，直接影响风机的对中，恶化减速机齿轮的传动，大大降低了风机的使用寿命。
为解决电机底板裂纹这一隐患，我们对裂纹的产生原因做了现场调查，依据调查结果，得知电机底板裂纹产生的重要原因是，当风机运转不正常时，因齿轮或传动轴某部位出现缺陷或故障时，风机的输入功率将增大，即电机输出的功率将大于正常运行时的功率，由此使输出转动力矩增大。在风机的振动报警联锁自停装置失灵的情况下，由于电机转动的力矩增大而电机联轴节处的蛇形弹簧卡不被扭断，因而使底板在强外力作用下发生位移，导致局部断裂，借此来缓解外力的作用。
电机与联轴节之间联接传动的为蛇形弹簧卡，此卡起安全保护及传动作用，如果在电机负荷增大至一定限度时，此卡由于不能承受此时的扭矩而被扭断，电机与风机脱离，则电机空转，底板撕裂现象将不会发生。在未改进前，装配时用两套蛇形卡，电机超负荷运转时，也不易扭断，造成电机底板撕裂。现去掉一套，经计算（见后）得知，一套蛇形卡正常运转时所受的剪应力为39.1kg/cm2<<许用剪应力951.5kg/cm2，因此，采用一套蛇形弹簧卡的计划是可行的。
经过几年的生产实践证明，联轴节改进装配方法后，即满足了生产的需要，又对设备起到了一定的保护作用，消除了底板裂纹，取得了较大的经济效益。
计算步骤：
电机扭矩：P电机=9545N电/n电=9545×210/1475=1359.5牛·米
其中：N电为电机输出功率 n电为电机转数
视蛇形弹簧卡为薄壁圆管，则其抗扭截面模量：
Wp=2πr2t=2×3 .14×842×8=354493（mm）3
其中r为弹簧卡半径 t为弹簧卡厚度
正常运转时剪应力：
τ= P电机/ Wp=（1359.5×1000）/ （354493×9.8）=39.1 kg/cm2
根据弹簧材料65Mn，工作温度为100°C，查得σs（屈服应力）为1730 kg/cm2，根据许用剪应力和许用拉应力之间关系，则其许用剪应力为：[τ]=0.55[σs]=0.55×1730=951.5 kg/cm2
由此可知：τ<<[τ]
二、风机风叶紧固螺栓断裂
风机自79年投入运行至93年，据资料记载，因风机风叶紧固U型螺栓断裂造成设备恶性事故二起，设备故障停车7起。螺栓断裂使风叶失控飞出，严重地破坏了风机的动态平衡，减速机齿轮啮合状态急剧恶化，齿轮在极短的时间便出现打齿、折齿现象，风机振动加剧，对机座的水泥基础梁产生了不同程度的破坏，整个传动系统乃至驱动电机均受到不同程度的破坏和影响。
为保证设备安全运行，针对螺栓断裂而发生的检修进行系统的资料统计，据此分析U型螺栓断裂情况如下：
1、螺栓断裂处的分布规律
从所经历的三次螺栓断裂现场考察以及以往的资料记载，运转是由于风叶端部螺栓的左侧受力最大，断裂多从此处发生。
2、螺栓断裂产生的原因
（1）螺栓承载不均
风叶紧固螺栓为M36U型细牙螺栓，材质为38CrA，风叶每支重量约为150Kg，风叶长为3860mm，宽约为1200 mm。以前螺栓为支点，利用杠杆平衡原理，计算出里侧单个螺栓静止时受力为496 Kg，由此可计算出螺栓预紧状态下的应力σca=86.6 kg/cm2，查38 CrA螺栓许用应力[σ]=1930 kg/cm2，由此可知σca小于[σ]。
即使风阻力与重力等叠加所产生的应力也是远小于螺栓的许用应力的，因此可得出38CrA材质的M36U型螺栓能够满足卡紧风叶的需要，使风叶正常运行。
但根据几次螺栓断裂情况来看，左侧螺栓受力大于右侧螺栓，因此其σca也将增大。
（2）螺栓质量差
根据资料记载，风机运转初期风叶使用的为国外螺栓，材质为38CrA，效果较好，四年间仅断过1次，未造成设备事故，其后开始使用国产40Cr材质螺栓，四年间断裂7次，造成2次嚴重事故，改回38CrA后，四年仅发生一次断裂现象，未造成大的损失。
（3）装配不当
风叶为两道U型螺栓固定，在固定风叶时，螺栓装配两端有时不能保持在同一水平面，偏差最大时为30 mm，由于偏差的存在，使紧固后的螺栓呈倾斜状，螺栓受力状态恶化。
（4）予紧力过大，造成螺栓工作时承载能力下降
在固定风叶紧固螺栓时，用长约1.5米的加长搬手拧紧螺栓，由于作业空间狭小，紧固很不方便，需3～4人合力推、拉国长搬手，另外由于风叶前后螺栓位置的差异，使两螺栓所受紧力也不相等，为使风叶牢固，螺栓常常拧得非常紧，且由于作业空间的限制，搬手与螺栓面不垂直，故在紧固时螺母上升过程如同对螺栓套扣，严重的破坏了螺栓根部表面，使螺栓抗拉、抗剪强度下降。
（5）风叶转动矩不等
风叶角度安装偏差过大，也会使风机的动平衡不好，造成螺栓受力大于正常运时所受的力。
综上所述因素加在一起，就导致了U型螺栓的断裂。
3、采取的措施
（1）合理调配螺栓
为延长螺栓使用寿命，改善螺栓受力状态，我们定期将里、外侧U型螺栓对调，并使左、右端换位，从而延长了其使用寿命。
（2）加强螺栓材质及加工质量的检查
（3）保证螺栓的安装质量
安装时，尽量使螺栓两端面高度差为零，先紧短、后紧长，消除螺栓的倾斜现象，改善螺栓的受力状况。
（4）限制予紧力，提高螺栓的承载能力
在紧固风叶时，采用力矩搬手。
（5）正确使用风叶，严格控制风叶角度
通过对上述影响风机正常运转因素的分析，采取了相应的预防措施，减少了风机的故障率，使风机能够长周期的运转。