碳纖維傳動軸在涼水塔風機上的應用

劉巖

北京燕山威立雅水務有限責任公司 北京 102500

1 前言

涼水塔作為工業循環水場循環水溫度控制和調節最主要的設施，其主要工作原理是將從生產裝置經過熱交換而升溫的循環水，通過涼水塔布水管線、布水噴頭直接噴灑在涼水塔內部的填料層上，通過水與空氣的接觸，由上部安裝的風機帶動塔內氣流由下至上流動，與自上至下流下的循環水在填料層內進行換熱，風機將與水換熱后的熱氣流帶出，從而達到降低循環水溫度的冷卻效果。由于填料部分受限于涼水塔的構造及原始設計，在其正常使用周期內，都能夠處于較好的運行狀態，這也就進一步突出了涼水塔風機在循環水場尤其是夏季熱負荷較高的循環水場中的生產重要性。目前在工業開式循環水場的涼水塔中，軸流風機是應用較為廣泛的一種，其主要部件包括：配套電機、傳動軸、聯軸器、減速機、葉片輪轂組件等，這其中傳動軸作為連接電機與減速機的主要功能組件，在整臺風機中也是非常重要的組件之一。傳統的傳動軸采取的是普通不銹鋼材質，其在使用初期還能夠處于較好的運行狀態，但隨著運行時間的累積，振動上升、運行電流上升、材質腐蝕等問題也陸續出現，對風機的平穩運行及節能運行非常不利。

2 涼水塔風機的基本運行狀況

2.1 循環水場概況

某大型石油化工企業煉油系統循環水場設計處理總量為7000噸/小時，所帶生產裝置均為煉油裝置，其涼水塔為開式涼水塔。其中一座為橫流式機械通風涼水塔，該座水塔處理水量為3000噸/小時，水塔分為兩間，分別安裝一臺由國內某主要生產廠家生產的L85型風機。

2.2 運行風機概況

由于該循環水場所帶生產裝置熱負荷較高，系統循環水溫差達到7-10℃，造成風機年度累計運行時間遠遠超過其他循環水場的同類設備。該涼水塔風機的基本構造和基本參數情況分別如圖1、表1所示：

表1 L85型風機的主要參數

由圖1及風機在涼水塔風筒中所處的位置可以看出，傳動軸部分分布于整個涼水塔風筒的內外兩個區域，其在運行過程中前后兩個區域處于截然不同的兩個環境，即風筒內部為潮濕、高溫的環境，風筒外部為通風、低溫的環境，這也是傳動軸在長周期運行后陸續出現故障情況的主要原因之一。

3 不銹鋼傳動軸運行過程中的主要問題

不銹鋼傳動軸作為目前涼水塔風機上普遍采取的傳動軸種類，其具備自身的一些使用特性，但隨著運行時間的增加，不銹鋼傳動軸及其附件的多種問題也隨之體現，而這些問題對于風機的平穩運行產生了非常大的影響，這也就使得解決不銹鋼傳動軸的隱患問題成為了風機保運工作中的重點內容。

3.1 傳動軸易彎曲、不平衡性高的問題

由于該循環水場冷卻水負荷高，風機運行時間、啟動頻次也均較高，造成風機出現故障的頻次隨之上升，這其中因為傳動軸的原因導致風機振動上升的情況也頻繁出現。傳動軸主要傳遞單向扭矩，基本屬于連續工作，停止和啟動不頻繁。零件設計要求軸不發生扭轉破壞，法蘭與軸不發生連接破壞，螺栓孔不發生擠壓破壞。依據軸的受力狀態，可以將其簡化為兩端承受扭矩的圓管。該臺風機經過多年運行后，其傳動軸由于彎曲和不平衡直接造成了減速機的振動隨之上升的情況，對風機的平穩運行不利。

該臺L85風機的傳動軸在3m以上，支架于循環水池之上，長時間處于高溫蒸汽環境中，耐腐蝕要求較高。傳統工藝一般使用不銹鋼經過機械加工制成，質量較大，整體結構笨重，運行效率低，能耗大，安裝和維修難度高，并且耐循環水中氯離子腐蝕能力差，壽命較短。與此同時不銹傳動軸預熱會導致軸的不平衡，不銹鋼的塑性作用較為明顯，且其塑性變形后會導致振動的增加，進而加速不銹鋼軸的疲勞，而不銹鋼軸的塑性特性對系統的運行沒有任何的積極作用，這個惡性循環過程使不銹鋼軸在系統中的壽命明顯短于設計預期。傳動軸彎曲帶來的不平衡轉動往往是振動值增高，縮短風電機使用壽命

以本臺ф8.53m風機冷卻塔為例，驅動ф8.53m風機電機功率為160KW，電機的轉速為1400r/min，冷卻塔風筒外的電機開啟后，以1400r/min高速傳動來驅動一根約3m，直徑150mm的不銹鋼鋼傳動軸，然后傳輸到風筒內中心部位冷卻塔減速機輸入軸上。長度大于3m的傳動軸在沒有任何支撐架的情況下高速旋轉，以行業內現有的加工精度，無法保證同軸度誤差為零。同時傳動軸在高速旋轉時，振動值會隨著同軸度精度誤差而起伏變動。傳統的不銹鋼傳動軸高速旋轉時，產生的振動如果無法消除，必將使傳動軸產生疲勞性損傷。隨著疲勞程度不斷加劇，導致傳動軸彎曲度隨之加大，最終發生傳動軸斷裂事故。輕者導致風機因振動高停機，影響涼水塔冷卻效果，以及電機、風機、冷卻塔減速機、風筒、收水器、填料等損壞現象的發生，重者出現傳動軸或風機葉片飛出風筒外傷人現象，這是傳統材質傳動軸本質安全設計的隱患和缺陷。具體如圖2所示。

圖2 出現故障的不銹鋼傳動軸

本套循環水場的這臺在用風機就出現了因為傳動軸長時間運行后，造成軸彎曲度超標的情況，起初表現為風機減速機的振動趨勢逐漸上升，最高時已經達到了5.4mm/s。經過對減速機解體檢查、多方檢測后，最終才確定為是由于不銹鋼傳動軸的不平衡性才導致的風機振動上升。

3.2 不銹鋼聯軸器膜片的損壞問題

不銹鋼聯軸器膜片的損壞也有可能會直接導致聯軸器軸心角的超標，即便傳動軸沒有出現工程意義上的彎曲，聯軸器膜片的損壞也有可能給傳動軸系統帶來超過1°的彎曲，聯軸器都起著傳遞扭矩和緩沖減振的作用，其中不銹鋼膜片聯軸器的彈性膜片都是彈性元件，可以補償軸線的彈性元件也會失效，隨之帶來的就是傳動軸及整個風機振動的上升。

4 碳纖維傳動軸的運行優勢

碳纖維復合材料由于較高的比強度和比模量以及較小的密度，在航空航天領域已經得到廣泛的應用，目前正在逐步向民用產業擴展。沿著纖維的方向，復合材料的抗拉和抗壓性能較好，因此纖維方向被稱為復合材料的主方向。傳動軸是復合材料的一個重要應用方面，目前在航天飛機、高性能汽車、賽車以及特殊用途的機械中得到了較多應用。復合材料傳動軸一般為薄壁圓管構件，多數以承受扭矩為主，可以采用纖維纏繞法或在纖維套管中壓注樹脂法等多種工藝制成，其中纏繞工藝因具有操作簡單和成本低的優點，應用較為普遍。

4.1 碳纖維傳動軸的主要特點

碳纖維傳動軸由于其材質本身的特性，具備很多不銹鋼傳動軸沒有的特點，對于循環水場涼水塔風機的長周期運行及日常檢維修工作都起到了較好的作用，下面分別進行簡述：

碳纖維傳動軸抗拉強度是普通鋼材傳動軸的6-12倍，彈性模量高于鋼材，具有優良的抗蠕變性能和耐腐蝕、抗疲勞性；

還可以根據不同要求合理布線、均勻漲力，達到在不影響整體彎曲度的前提下，增加如與風筒接觸部位等重點部位的強度，以確保達到更加穩定的運行效果；

碳纖維傳動軸重量僅為普通鋼材的1/10，韌性好、噪音小、施工便捷、施工質量有保證；

碳纖維軸具有良好的耐久和耐腐免維護，抗疲勞性是鋼材的10倍，使用壽命20年以上，大大超過不銹鋼傳動軸的使用壽命，同時也降低了不銹鋼傳動軸修復及風機大修的頻次和修理費用；

同心度高、穩定性強，由于一次成型，軸管與法蘭無需二次聯接，從而使傳動軸同軸同心；

碳纖維傳動軸扭矩范圍為1000Nm-15000Nm，大大提高了傳動軸的運行穩定性；

碳纖維傳動軸采用膜片聯接方式，配用的聯接用膜片是高強度碳纖維復合材料加工而成，由于碳纖維材料具有無限次反復彎曲和高強度的特性，所以膜片承載交變載荷的能力提高，使用壽命也相應延長；

傳動軸采用一次成形的工藝，軸管通透，不會出現傳動軸在冷熱交替時，軸內產生凝結水，引起軸振動的情況，大大降低了傳動軸的運行風險；

碳纖維軸配套使用的碳纖維材質的聯軸器，這種聯軸器較之其他材料加工的聯軸器有以下特點：a、重量輕，同樣型號的聯軸器不銹鋼的是30公斤，碳纖維材料的是8.5公斤；b、強度高；c、耐腐蝕，由于冷卻塔大多安裝在高酸、高堿、高鹽、腐蝕性較高的環境中，使用這種聯軸器，耐酸、耐堿、耐鹽、耐腐蝕、大大延長了聯軸器的使用壽命。

4.2 碳纖維傳動軸的運行效果

碳纖維傳動軸是薄壁金屬傳動軸的升級換代產品，是為提高涼水塔風機性能，專門研制的新產品。本循環水場該傳動軸在更換為碳纖維材質的傳動軸后，從減速機監測情況來看，整臺風機的運行狀況得到了明顯的改善，具體如表2所示：

表2 風機更換碳纖維傳動軸后運行數據對比情況

4.3 碳纖維傳動軸的節能效果

（1）降低維護費用。碳纖維傳動軸由于其重量遠輕于不銹鋼傳動軸，在風機運轉過程中亦達到較好的節能效果。本循環水場L85不銹鋼傳動軸重量為110公斤，維修安裝均需動用吊車，定期還需要做動平衡，維護保養費用較高。

將不銹鋼傳動軸更換為碳纖維傳動軸后，由于其重量僅為11公斤，維修安裝無需動用吊車，人工即可進行拆卸、搬運、安裝等，且無需定期做動平衡，且碳纖維傳動軸正常使用壽命為20年，是不銹鋼傳動軸使用壽命的幾倍，這就大大降低了傳動軸部分的維護保養費用。

（2）降低運行電流。從本循環水場風機運行的實際數據可以看出，原L85不銹鋼傳動軸正常運行電流為190A，更換為碳纖維傳動軸后正常運行電流為185A，每小時節約電耗：1.732×380×0.85×（190-185）/1000=2.8度，每小時節約資金：2.8×0.86=2.4元，該風機每年按照平均運行5200小時計算，每年可以節約電耗：2.4×5200=12509元。由此也可以看出，不銹鋼傳動軸改為碳纖維傳動軸后，節能效果顯著，且一根碳纖維傳動軸的投資回報期僅為1年，運行優化效果也非常明顯。

從以上論述可以看出，碳纖維材質的傳動軸在工業循環水場涼水塔風機的長周期平穩運行過程中起到了越來越重要的作用，而且從其連續運行多年的實際效果來看，也完成能夠滿足現場的各種要求。同時從降低維護強度、減少維護費用支出、降低運行能耗、提升設備平穩運行水平等多個方面都表現出了傳統不銹鋼傳動軸所不具備的優勢，由此可見，碳纖維傳動軸在涼水塔風機配件升級改造工作中具有非常重要的意義和作用。