對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉片斷裂事故分析

孫 峰/上海哈龍風(fēng)機(jī)電器有限公司

0 引言

對(duì)旋風(fēng)機(jī)作為一種特殊形式結(jié)構(gòu)的軸流風(fēng)機(jī)，被廣泛應(yīng)用于礦洞、隧道通風(fēng)系統(tǒng)中。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、反風(fēng)性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。對(duì)旋風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是：串聯(lián)兩個(gè)輪轂比相同的軸流葉輪，并使葉輪以相反的方向旋轉(zhuǎn)。由于兩葉輪為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，對(duì)旋風(fēng)機(jī)的壓力要比普通單級(jí)葉輪壓力高一倍。而第二級(jí)葉輪就相當(dāng)于一級(jí)葉輪的后導(dǎo)葉，可以有效消除氣流的軸向旋轉(zhuǎn)，提高風(fēng)機(jī)的靜壓效率。

隧道工程施工過(guò)程中，前期隧道挖掘不深，通風(fēng)距離短。為了節(jié)約能源一般都是先運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)葉輪，隨著隧道進(jìn)一步挖深，再運(yùn)轉(zhuǎn)另外一個(gè)葉輪。對(duì)旋風(fēng)機(jī)分為防爆和不防爆兩種，防爆風(fēng)機(jī)葉輪可以使用鋁合金或工程塑料制作。不需要防爆的，葉輪可采用鋼板焊接制作。此次發(fā)生事故的風(fēng)機(jī)葉輪為鋼板焊接葉輪，葉輪材質(zhì)Q235A，葉輪直徑1.25m，輪轂比0.63，一級(jí)葉輪16 片葉片，二級(jí)葉輪11 片葉片，兩個(gè)葉輪轉(zhuǎn)速均為1 450r/min，兩個(gè)葉輪的電機(jī)功率都是110kW。

1 事故描述

用戶(hù)反應(yīng)：這臺(tái)風(fēng)機(jī)是幾個(gè)月前從山東一家風(fēng)機(jī)廠(chǎng)訂購(gòu)的，風(fēng)機(jī)大約運(yùn)行了一個(gè)半月，每天幾乎24 小時(shí)不停運(yùn)轉(zhuǎn)。由于隧道剛剛開(kāi)始挖掘，所以一直沒(méi)有同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)兩個(gè)葉輪，而是僅運(yùn)轉(zhuǎn)二級(jí)葉輪。這次斷裂的就是二級(jí)葉輪上的葉片。

2 事故葉輪勘察

將事故葉輪取下后觀(guān)察（圖1），二級(jí)葉輪的11個(gè)葉片中僅剩6個(gè)葉片結(jié)構(gòu)完好，其余5片中，有兩片已經(jīng)徹底斷裂飛出風(fēng)機(jī)外，（斷裂的葉片斷口形狀如圖2、圖3 所示）。另外3 片雖然沒(méi)有斷裂，但葉片根部出現(xiàn)一條長(zhǎng)裂紋（圖4）。

圖1 事故葉輪外觀(guān)

圖2 斷裂葉片1

圖3 斷裂葉片2

記錄下事故葉輪概況后，將所有損壞的葉片氣使用氣割切下來(lái)，并除去葉片表面污垢，編號(hào)保存。

3 葉片斷裂原因分析

3.1 斷裂葉片外觀(guān)特點(diǎn)

取單個(gè)葉片觀(guān)察，葉片結(jié)構(gòu)如圖5 所示，葉片厚度8mm。葉根部焊有8mm 厚30mm 寬的加固板。斷口上下兩側(cè)“錯(cuò)位”（圖6），仿佛在葉尖處有一個(gè)力從葉片凸面推向葉片凹面導(dǎo)致葉片彎曲。并且這種“錯(cuò)位、彎曲”現(xiàn)象并不是個(gè)例，3個(gè)有裂紋的葉片都是這樣。裂紋位于加固板焊縫“熱影響區(qū)”（圖7）并且整個(gè)葉根部的裂縫由多個(gè)小裂縫連接而成。焊縫焊接質(zhì)量不佳，焊縫表面不光滑，存在凹坑或突起。葉片凸面裂口寬、裂口邊光滑，凹面裂口窄、裂口邊尖銳（圖8）。

圖4 葉片根部的裂紋

圖5 單片葉片形狀示意圖

圖6 斷口上下兩側(cè)“錯(cuò)位”現(xiàn)象圖

圖7 葉片凸面的裂紋圖

圖8 葉片凹面的裂紋圖

3.2 葉片并非強(qiáng)度不足而斷裂

一般葉片斷裂事故，大多數(shù)人的第一反應(yīng)是“葉片強(qiáng)度不足”。使用NX軟件做有限元應(yīng)力分析，對(duì)葉輪施加1 450r/min 的離心載荷。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程凹面與凸面存在壓差，這個(gè)壓差會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生一個(gè)軸向推力，有限元分析時(shí)可以對(duì)葉片的凹面施加一個(gè)“壓力載荷”，“壓力載荷”值設(shè)定為該葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)所能產(chǎn)生的全壓值。經(jīng)過(guò)Nast ran 求解器求解后分析結(jié)果顯示該葉片最大應(yīng)力為155MPa，最大應(yīng)力位于葉根與輪轂的焊縫處（圖9）。而加固板焊縫處應(yīng)力約為45MPa（圖10）。我們推想如果是離心力與軸向推力導(dǎo)致的葉輪破壞，那葉輪更傾向于從葉根與輪轂的焊縫處撕裂。這與現(xiàn)場(chǎng)飛裂的葉輪情況不符。所以，離心力與軸向推力所產(chǎn)生的組合應(yīng)力不是葉片斷裂的主要原因。

圖9 葉輪受力分析結(jié)果圖

圖10 葉根加固板處的受力云圖

3.3 葉片斷裂的真正原因

1）為了觀(guān)察到最完整的葉片斷口，筆者將一個(gè)已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，但沒(méi)有飛裂的葉片，斷口兩頭使用砂輪片隔斷。切割時(shí)要注意砂輪片盡量不要碰觸到裂紋斷面。

割開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，裂紋斷面非常光滑。裂紋兩頭呈現(xiàn)出非常明顯的疲勞破壞的痕跡，并且可以看到裂紋是從葉片凸面向凹面擴(kuò)展的（圖11）。我們討論葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的另外一個(gè)問(wèn)題“共振”。有可能是外界的干擾頻率與葉片固有頻率重合，導(dǎo)致葉片共振，最終導(dǎo)致葉輪破壞[3]。

圖11 被切割葉片的斷面圖

2）確定葉輪固有頻率

借助NX 軟件有限元響應(yīng)分析，筆者對(duì)葉輪做共振頻率分析。分析結(jié)果顯示了葉輪前10個(gè)共振頻率點(diǎn)以及共振點(diǎn)下的位移、應(yīng)力等數(shù)據(jù)[4]（圖12）。

圖12 葉輪的10個(gè)共振頻率點(diǎn)圖

10 個(gè)共振點(diǎn)中第1 個(gè)共振點(diǎn)主要是葉輪輪轂的共振，共振頻率為54Hz，最大應(yīng)力位于軸套與筋板連接處附近，最大應(yīng)力值僅有11MPa（圖13）。

圖13 第1個(gè)共振點(diǎn)圖

第2、第3 個(gè)共振點(diǎn)共振頻率在132Hz 左右（圖14、圖15），發(fā)生共振的葉片對(duì)稱(chēng)在分布在葉輪兩側(cè)，葉根加固板焊縫處共振應(yīng)力大，最大共振應(yīng)力為20MPa。這種共振情況與事故葉輪很像，共振葉片都對(duì)稱(chēng)分布在葉輪兩側(cè)的；另外分析結(jié)果還顯示出：除葉片外，葉輪軸套外側(cè)也存在較大應(yīng)力。這說(shuō)明此時(shí)軸套外側(cè)也存在擾動(dòng)。換句話(huà)說(shuō)在該共振點(diǎn)下，將單個(gè)共振葉片作為研究對(duì)象，此時(shí)葉根并不是剛性、固定不動(dòng)的，而是柔性、有擾動(dòng)的[5]。

圖14 第2個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

圖15 第3個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

共振頻率中從184～187Hz 密集的存在多個(gè)共振點(diǎn)（圖16～22），每個(gè)共振點(diǎn)葉輪都表現(xiàn)出不一樣的共振形態(tài)。各種形態(tài)下最大共振應(yīng)力都在60MPa左右，最大應(yīng)力點(diǎn)都位于葉片加固板焊縫處，但葉輪軸套外側(cè)不存在共振應(yīng)力，那么對(duì)于單個(gè)葉片來(lái)說(shuō)這種共振現(xiàn)象可以理解為葉根是剛性、固定不動(dòng)的[5]。

圖16 第4個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

圖17 第5個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

圖18 第6個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

圖19 第7個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

圖20 第8個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

圖21 第9個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

圖22 第10個(gè)共振點(diǎn)應(yīng)力分布云圖

3）確定干擾頻率

取二級(jí)葉輪的一個(gè)葉片為研究對(duì)象?？紤]風(fēng)機(jī)僅運(yùn)轉(zhuǎn)二級(jí)葉輪時(shí)，二級(jí)輪葉片最主要干擾頻率應(yīng)該是：由一級(jí)葉輪葉片流出的不均勻氣流對(duì)二級(jí)葉輪葉片的干擾[6]。這里假設(shè)二級(jí)輪是靜止不動(dòng)的，而一級(jí)輪是高速旋轉(zhuǎn)的，站在二級(jí)輪的一個(gè)葉片上觀(guān)察，這個(gè)干擾頻率為

式中：Z1為一級(jí)葉輪的葉片數(shù)；n1為一級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)速，r/s；n2為二級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)速，r/s。

需要說(shuō)明的是，風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)轉(zhuǎn)二級(jí)輪以后，一級(jí)輪并不是靜止不動(dòng)的。受流過(guò)風(fēng)機(jī)的氣流影響，一級(jí)輪會(huì)以與二級(jí)輪相反的方向旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速不會(huì)很高。我們估算認(rèn)為一級(jí)葉輪轉(zhuǎn)速為0.5r/s。

通過(guò)計(jì)算得知，干擾頻率為395Hz。再結(jié)合前面的共振頻率分析結(jié)果，可以求得干擾頻率約為剛性葉根葉片共振頻率的兩倍，柔性葉根葉片共振頻率的三倍，并且非常接近整數(shù)倍。所以葉輪設(shè)計(jì)是不合理的，我們基本可以確定風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉片共振了[7]。

4 共振狀態(tài)分析

將固有頻率與干擾頻率放在二維坐標(biāo)系中，其中X 軸代表時(shí)間，Y 軸代表振動(dòng)時(shí)葉片的擺動(dòng)位移值，就繪制出了下面的振動(dòng)波曲線(xiàn)（圖23）。

將兩種固有頻率的曲線(xiàn)與干擾頻率的曲線(xiàn)疊加起來(lái)，就繪制出圖24[8]。

圖23 振動(dòng)波曲線(xiàn)圖

圖24 頻率曲線(xiàn)的組合曲線(xiàn)圖

從圖中可以觀(guān)察到，葉輪設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)能合理避開(kāi)共振頻率，在某個(gè)特定時(shí)刻，固有頻率的最大位移點(diǎn)與干擾頻率的最大位移點(diǎn)重合?！皠傂匀~根”的重合點(diǎn)一直在Y 軸的負(fù)半軸上，“柔性葉根”重合點(diǎn)則分布在Y軸正負(fù)兩側(cè)?；叵霐嗔讶~片的軸向彎曲和斷口兩側(cè)的“錯(cuò)位”現(xiàn)象，這兩種現(xiàn)象都說(shuō)明有一個(gè)力，一直朝一個(gè)方向推葉片，把葉片推彎。再加上“固定葉根”的共振應(yīng)力是“柔性葉根”的三倍，并且僅為剛性葉根的共振頻率僅為固有頻率的兩倍。就可以推想起到，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)致葉片斷裂的葉輪固有頻率應(yīng)該是“固定葉根”的共振頻率，因?yàn)樗奈灰浦睾宵c(diǎn)一直在Y軸的負(fù)半軸上。

5 葉片斷裂過(guò)程的推測(cè)

綜上所述，推測(cè)葉片斷裂的過(guò)程如下[9]：

首先，在葉輪制造過(guò)程中，加固板焊縫焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)，焊縫表面不光滑，焊縫邊緣存在小凹坑和“咬邊”現(xiàn)象，而且焊接時(shí)有可能出現(xiàn)焊接裂紋[10]。緊接著，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，受離心力的作用，焊縫處始終存在一個(gè)離心拉應(yīng)力，我們稱(chēng)它為“預(yù)應(yīng)力”。接下來(lái)最關(guān)鍵的：風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有合理避開(kāi)共振頻率，使得葉片振幅過(guò)大。隨著葉片擺動(dòng)，葉根部就存在“交變應(yīng)力”。在預(yù)應(yīng)力與交變應(yīng)力的作用下，焊縫的“咬邊”和小凹坑附近出現(xiàn)“應(yīng)力集中”現(xiàn)象，而應(yīng)力集中區(qū)域位于整個(gè)焊縫結(jié)構(gòu)最脆弱的熔合線(xiàn)附近，有可能形成最早的小裂紋[11]。隨著交變載荷的持續(xù)作用，裂紋逐漸擴(kuò)展，越來(lái)越大[12]。隨著裂紋逐漸增大，葉根處有效連接面積就越來(lái)越小，單位面積上的離心拉應(yīng)力也就越來(lái)越大，直到拉應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)葉片發(fā)生了塑形變形。塑性變形后葉片被拉長(zhǎng)，葉尖刮擦風(fēng)筒，最終葉片被風(fēng)筒打斷。而第一個(gè)斷裂的葉片打斷了另外一個(gè)正在高速旋轉(zhuǎn)、葉根也有裂紋的葉片（圖25）。

圖25 葉片斷口宏觀(guān)特征圖

6 結(jié)論

1）這次葉片斷裂事故說(shuō)明：設(shè)計(jì)軸流通風(fēng)機(jī)時(shí)，除強(qiáng)度校核外葉片共振頻率校核是非常必要的。

2）葉片共振的另一個(gè)特點(diǎn)就是“偶發(fā)性”，并不是低轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)就一定比高轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)更安全，只要干擾頻率與固有頻率重合了，葉片就會(huì)共振[13]。這點(diǎn)應(yīng)該引起風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)者注意。

3）在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，葉根部的焊接質(zhì)量應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān)，杜絕任何焊接缺陷。同時(shí)，設(shè)計(jì)葉輪時(shí)，也應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上盡量避免葉根部的應(yīng)力集中。

4）有限元分析確實(shí)能在很多方面幫助我們探究事實(shí)真相，但有限元分析畢竟只是“仿真”，它并不能代表事實(shí)真相。有限元分析還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析做修正，再結(jié)合理論知識(shí)推測(cè)才能判斷出事故真相。

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