300mw同步电动机轴向受力分析

300mw同步电动机轴向受力分析

1推力瓦烧损事故在江都第四抽水站，上海电机厂生产的tdl3000-40和5250同步收割机配置了7台上海电机厂生产的dtl30-40和5250系列自动收割机。自1977年初竣工投产到1986年7月安全运行10年。1986年7月31日该站4号机在排洪运行中第一次发生推力瓦突然烧损事故。此后,多次发生正常运行机组在排涝运行中推力瓦烧损事故。而且抢修换上备用瓦后,常接连又发生烧损事故。截止1994年,前后发生推力瓦烧损事故10余次之多。由于正确地总结经验教训,精心安装,仔细检查并处理推力瓦的制造缺陷,时至今日,再没有发生烧损事故。现加以总结,希望对其他泵站正确解决这类事故有所补益。2推力瓦运行状况恶化,影响油膜厚度和均匀度(1)江都四站安装了7台ZL30-7型轴流泵,配套电机为TDL3000-40/3250型同步电动机,为当时国内最大的机组。为最大限度地降低电机制造成本,上海电机厂在1600kW电机制造基础上,通过增加电机硅钢片高度,而不改变其他外形尺寸,完成了江都四站3000kW电动机的生产。这样,两种不同功率的电动机采用同一外型尺寸,即同样承载面积的推力瓦。四站的3000kW机组比三站1600kW机组承受的轴向荷载(包括水推力和转动部件自重)增大一倍,转速下降250/150≈1.7倍。由推力轴承油膜厚度理论计算公式可知:江都四站电动机推力瓦运行状况显然在大大恶化,能够形成的油膜厚度将大大减小,允许镜板挠度和不平度值将大大降低。对推力瓦受力均匀度要求应更高,稍有疏忽,即可能造成油膜破坏,导致轴瓦烧损。运行油膜厚度理论计算公式为:式中hmin——轴承允许最小油膜厚度,cm;ymax——镜板最大挠度,cm;Δ——镜板最大不平度,cm;A——推力瓦工作面积,cm2;n——电动机额定转速,r/min;μ——油的动力粘度,kgf·s/cm2;P——推力瓦承受的压力,kg;K1、K2——系数。(2)江都四站TDL3000-40/3250型同步电动机是文革后期产品,质量存在较大问题。4号机定子线圈和铁心间夹有异物,投运初期曾发生短路击穿事故。推力瓦制造缺陷较多,较严重的有支承凹孔直径偏大,运行中推力瓦可能产生水平移动而影响其受力均匀度,并可能碰限位螺栓,而影响其自由度,使油膜不易形成。另外凹孔支承平面中心有不等直径的锥孔,最大达ϕ10mm。受力后将造成磷铜垫片变形,而导致推力瓦受力不均匀。安装中发现这些缺陷后,努力进行筛选,制造厂因此提供的备用瓦超出正常数量,达30余块之多。尽管如此,仍有不合质量要求的推力瓦,被迫予以使用。这就为以后产生烧瓦事故,以及抢修投运后连续烧瓦留下了隐患。(3)江都四站电动机在运行初期稳定,1986年以后,排涝运行中陆续发生烧瓦事故的原因在于我国农业体制改革后,农民很少施用绿肥,河道中大量水草随排涝水流汇集于站下,造成拦污栅堵塞变形,过栅水头差高达2.5m左右(最大达4m),而且栅后水位波动异常,水流夹带大量空气,导致机组强烈振动,电动机功率波动双幅值达700kW左右。这种运行工况的恶化是1986年以后屡屡发生推力瓦烧损事故的诱导因素。至于运行工况恶化后,如何诱导有缺陷的推力瓦产生烧损事故的分析,容后详述。3江都四站推墙被烧毁我们将1986～1993年期间江都四站发生的6次烧损事故的简要情况列于表1,由此明显看出:(1)盘车过程中的烧损事故1992年12月,7号机大修后,1993年5月7日试运行,仅运行44min便产生推力瓦烧损事故。解体检查,发现镜板不平度(包括挠度在内)达0.15mm,反映在安装摆度记录上的花点,证明在盘车过程中始终是局部瓦受力,检查中未发现其他问题。由于镜板不平度太大,运行中推力瓦轮回过载,造成润滑油膜破坏而烧瓦。可以确认,这次烧瓦的主要原因及安装质量不合格。(2)推力瓦再次烧损1986年8月12日,4号机抢修后,投入试运行,经2h后,推力瓦再次烧损。检查安装记录,质量指标均在合格范围,由于当时认识水平限制,未发现设备缺陷,故认为这一次烧损为不明原因事故。(3)推力瓦烧损事故表1中其余4次推力瓦烧损事故均在运行时间超过72h后,排涝过程中突然烧瓦。其中两次在事故后经检查明确无误地确认系推力瓦制造缺陷引起。一次是5号机抢修后,已历经384h正常运行,1992年7月13日排涝运行中,因瓦温过高自动停机。检查发现推力瓦已烧损,支承凹孔平面中心有大小不等的锥孔,最大达ϕ10mm,孔深也不等,最深超过2mm,如图1。一次是7号机抢修后历经87h正常运行,1992年7月2日排涝运行中推力瓦温过高自动停机。检查发现推力瓦已烧损,支承凹孔孔径超过ϕ60mm,达ϕ62～ϕ65mm,一字形限位螺钉与推力瓦两侧面有明显碰触痕迹,如图2粗线所示。支承磷铜垫片上抗重螺栓压痕范围明显扩大,且不规则,如图3。这些现象说明,推力瓦在运行中产生水平移动。另外两次烧瓦事故,一是1986年7月3日,4号机经3826h正常运行后,排涝运行时推力瓦突然烧损。当时检查中虽未发现设备缺陷,但仍可推断安装质量是不存在问题的。因为部颁安装规范明确规定,新安装机组必须经24h(或72h)试运行,以全面检验安装质量。运行经验告诉我们,安装合格的轴瓦,经5h运行,运行温度便稳定了。如果安装质量存在有碍安全运行的问题,绝对通不过5h的运行考验。因此,上述4号、5号机推力瓦烧损事故的原因,不仅安装质量记录反映,运行实践同样可以确定不是安装质量的问题,而是检查中未发现推力瓦制造有缺陷造成的。这里值得一提的是,检查江都四站电动机业经烧损的全部30多块备用推力瓦中,没有一块是没有制造缺陷的。而且,正在运行中的推力瓦中仍有一部分是经过缺陷处理过的。这可以进一步说明,江都四站推力瓦烧损的主要原因多是由推力瓦制造缺陷引起的。4单位面积荷载设计值前面已介绍,由于TDL3000-40/3250型同步电机推力瓦单位面积荷载设计值相对较大,转动速度又较低,运行油膜厚度较小。因而,由于安装质量和推力瓦制造缺陷等因素,导致推力瓦受力不均匀,引起过负荷,破坏必要的润滑油膜,形成干摩擦,造成推力瓦烧损。4.1心部位圆形痕迹正常稳定运行的机组,不管支承凹孔直径偏大多少,由于抗重螺栓与支承磷铜垫片及磷铜垫片与推力瓦之间为干摩擦,其摩擦系数f1远远大于推力瓦与镜板间摩擦系数f2,因此,运行中推力瓦不会产生水平移动。当机组轴向振动幅值较大时,镜板旋转才可能带动堆力瓦水平移动,直至一字形限位螺栓或抗重螺栓阻止为止,如图4。此时,每块磷铜垫片中心部位均有一明显的圆形痕迹,这是由于:(1)支承凹孔和磷铜垫片接触平面与推力瓦承载面存在加工不平行误差(图纸中没有加工平行度要求)。(2)磷铜垫片与抗重螺栓原接触面在长期负载作用下有塑性变形及因推力瓦游摆而产生摩耗。当推力瓦突然移动一位置后,磷铜垫片新支承部位厚度加大。上述两个因素有可能叠加,造成该推力瓦承载面上升或下降,而改变安装时推力瓦受力的均匀度,直至破坏必要的润滑油膜而烧瓦。(3)由于推力瓦水平移动,一字形限位螺栓对推力瓦两侧面阻抗,限制了推力瓦自由摆度,可能破坏进油油楔的自然形成,而降低进油量,从而影响应该形成的油膜厚度,进一步导致推力瓦烧损。这就是机组安装后,长期稳定运行数百至数千小时,而在排涝运行强烈震动时,突然发生推力瓦烧损事故的原因。需要进一步说明,存在同样缺陷的推力瓦,在江都一、二、三站运行时,不一定产生烧损事故。因为推力瓦单位面积负载小,转速大,运行油膜厚,由于推力瓦水平移动导致瓦面升高,仍未破坏充分油润滑所必须的油膜厚度,即该瓦运行最小油膜厚度虽然减少,单位面积负载虽然增大,仍有足够的安全裕度,所以尚能保证安全运行。4.2推力瓦的游摆和受压缩具有圆弧形预部的抗重螺栓通过支承磷铜垫片承受推力瓦的荷载。对于合格的零件,理论受力计算可以认为,抗重螺栓与磷铜垫片间为点接触。由于接触应力较大,磷铜垫片具有弹性和塑性变形(抗重螺栓预部经过热处理,硬度较高,所以假定只有弹性变形),加之运行中的推力瓦有游摆,所以在支承磷铜垫片中心部位有一面积较小的,轮廓明显的圆形压痕。当推力瓦支承凹孔平面上存在锥孔缺陷时,磷铜垫片可以被看作四面支承的弹性板,它与抗重螺栓必然为面接触,负载越大,变形越大,接触面积越大。同样,负载一定时,锥孔直径越大,变形越大,接触面积也越大。这样,在灌溉运行水推力较小时,磷铜垫片变形较小,各推力瓦负载差别也较小。当排涝运行时,水草堵塞拦污栅,形成水头差,水泵工作扬程大大提高,振动剧烈,电动机功率增大。不言而喻,推力瓦负荷增大,四边支承的磷铜垫片变形就增大。由于支承直径不等,轴向变形差异明显,推力瓦受力不均匀度增大。不同受力的推力瓦运行油膜厚度显然是不同的,加之磷铜垫片弹性力的复合作用,可能有碍油膜的形成。当某块推力瓦运行油膜厚度减小到小于镜板不平度时,干摩擦便出现,推力瓦烧损便开始了。4.3推力瓦烧损机理有人提出,既然推力瓦烧损是由其受力不均匀造成的,那么烧损的应是某块或至多某几块受力最大的瓦。为什么实际上全部推力瓦都发生烧损呢?理论分析和实践观察一致说明,推力瓦烧损是从某块瓦的某一点(正常情况,一般是抗重螺栓中心)开始,然后波及到临近的瓦,再发展到全部瓦。整个烧损机理过程是这样的:由于安装中推力瓦承载面高度调整偏差,或者在运行中由于推力瓦制造缺陷,使得推力瓦承载面高度发生变化后,瓦面最高的那块瓦,承载力最大,运行油膜厚度最小,加之每块由抗重螺栓支承的推力瓦因受力而产生机械变形,由于面背运行温度分布不均产生热变形,如图5。其中心部位总是高出的。当受力最大的那块瓦所能形成的油膜厚度为中部变形突出点破坏时,烧损便从这点开始了。这点运行油膜厚度遭破坏后,得不到润滑,摩擦热量猛增10～30倍,同时得不到油的冷却。瓦温及与之接触的镜板温度迅速上升,整个瓦面运行油膜经加温后粘度下降,运行油膜厚度降低,运行条件进一步恶化。如此,推力瓦烧损从这一点开始,由旋转的镜板传递热量,波及到临近的瓦,以至全部瓦。这就是推力瓦烧损发生发展的机理过程。检查烧损的推力瓦,其中部均有一烧损最严重的熔坑。检查烧损轻微的推力瓦,仅有少数瓦,甚至仅有一、两块瓦中部有熔坑。除去熔化钨金薄层,其余瓦面仍完好无损。证明上述分