KTA50发动机冷却风扇故障的分析.pdf

， _、 乙 a U Il l l K T A 5 0发动机冷却风扇故障的分析 中铁十一局集团汉江重工有限公司 一 唐开林 月IJ 舌 学术 C u mmi n s K T A 5 0 发动机 ， 较多地配备于 1 5 4吨即 1 7 0短吨的电动轮汽车上 ， 已成为该吨级的矿用电动轮汽车的主要动力源。在国内外 ， 被很多黑色冶金、有色矿山、煤炭矿山所采用。在国内 ， 随着进口设备件国产化进程加快 ， 有部分质量较差的冷却风扇被装机使用 ， 呈现发动 机主要附件 一冷却风扇良莠不齐的状态 ， 带来了严重的后果 ， 且经济损失的巨大 ， 本文仅就此作初步的分析。 一 故障案例 1 某矿山 1 5 4吨甲号卡车，4 月 2 O日发生 故障，风扇 叶片根部加强筋 8颗铆钉断裂，风 扇固定螺栓外缘中心骨架断裂约 1 5 0 m m ，8 0 为 旧裂纹，导致骨架根部构件与根部加强筋整体 甩出，打坏散热器，设备因此故障而停机。 2 同一矿山的 1 5 4吨 乙号卡车，5月 1日 更换发动机后，更换 了新风扇轮固定螺栓 ，5月 3日下午发生故障，风扇叶片甩掉一叶，幸好没 有打坏水箱。经查记录，乙号卡车 于 3月 1日 在采场干线坡路顶端转弯处，风扇损坏，由于 地处交通主干道，加班抢修，更换新风扇装机 ， 当晚生产，那么，可 以说该风扇只运行 2个月 即损坏发生故障。 经对损坏风扇检查，一叶风扇整体从根部 断裂甩 出，风扇固定螺栓处有裂纹 ( 与 甲号车 风扇大致相 同)。目测可见没有完全断裂的裂 纹存在，断裂部位呈 “ L ”型断裂形状 。 二、故障分析 我们都知道，c u m m i n s K T A S O 发动机，额定 功率为 1 6 0 0马力。在全负荷工况下，为满足发 动机 的正常运转，从设计上讲，必须有足够尺 寸的风扇运转，对发动机的冷却介质 ( 防冻液) 进行强制风冷。以便达到水温在 8 5 C 9 4 C之 间的理想发动机工作温度，保证发动机正常工 作。据 C u m m i n s 有关资料介绍，K T A 5 0发动机全 负荷工况下将消耗功率 5 0马力左右，风扇运转 的平稳性、动平衡性要求相当严格 ，如风扇本 身存在动平衡的问题 、强度不够的问题 ，高速 高负荷运转工况下，风扇高频 的振颤及离心力 相当之大，足 以造成相关机件 故障 的产生。具 体的说：如风扇轮轴承的早期损坏，风扇轴端 部锁帽脱出，风扇轮固定螺栓的松动与断裂， 风扇叶片在应 力集 中区的断裂，甩出打坏散热 器等一系列问题 ，造成严重 的经济损失及较大 的检修工作量。 三、具体分析 仅就某矿 1 5 4 卡车甲、乙两车故障分析看 ， 风扇 在高速高负荷运转工况下，由于高频 巨大 的振 动力、惯性力作用，风扇叶本 身会产生振 动微量变形，由于风扇叶子本身为铝合金材质 ， 可以承 受微量变形，这 是由铝质材质本身 的特 性所决定的。而故障部位出现在根部 固定螺栓 外缘处， 首先是出现裂纹， 随着使用时间的延长， 达到相当程度后 断裂甩 出，就其原因，初步分 析有 以下两点。 l 、断裂处在固定螺栓外缘处，位于风扇骨 架的中心部位， 在无外力的作用下， 本不应损坏 。 实际情况是，在高速运转工况下，叶片振动大， 叶片本身铝质材质，不易断裂，而产生断裂处 铁质骨 架根部 ，一是适应变形能力差，二是有 风扇螺栓 固定不允许变形导致应力集中，在 固 定螺栓外缘呈不规则断裂，由此可见风扇叶子 整体的强度是不够的，不 能承受高负荷，高速 运转工况下的载荷 ，因而产生故障 。 2 、分析认为，某些国产风扇叶强度不够 ， 造成故障的原因是第二位的。 最根本的原因是 ， 风扇叶本身的动平衡性不好，是否经过动平衡 台架试验，值得探讨。如风扇 叶子本身动平衡 性不好，或则没有经过 台架试验。高速高负荷 工况下， 其本身存在的失衡惯性呈百倍的加大， 必然导致在应力集中，在承载力较弱 的部位断 裂 。为此，风扇叶本身的质量和动平衡性至关 重要，否则将带来一系列的故障与损失。 简言之，风扇 的动平衡性不好，可直接影 响破坏风扇本身的强度，造成叶片本身的损坏。 四、技术措施 由于实际工况中，风扇叶、风扇轮属高速 运转机件，负载 受力大。为此，选用质量上乘 的风扇叶至关重要，核心 问题一是动平衡性； 二是承载强度。具体可采取如下措施 。 l 、选用质量上乘 的风扇 ，最好采用进 口原 机厂家风扇 。例如：C u mmi n s公司产品，他们的 产品均经过严格的动平衡检测。 外观 目测检查， 进 口风扇质量较轻， 均打有“ m a d e i n U S A ” 字样。 且单体为一个包装箱。采用国产风扇，必须具 有动平衡测试合格证，有资质 、质量上乘的厂 家产品。 2 、采用进 口风扇轴、进 口螺栓及轴承。实 践证实，国产轴，如要保证其装配尺寸，其承 载能力是不够 的，极易产 生断裂，造成损 失极 为严重。而 C u m m i n s的风扇轴，它的选 材、加 工及质量是与发动机主体寿命 匹配 的，不会出 现早期断裂 问题。进口螺栓可 以保证在标准的 拧紧力矩下承受更大的工作载荷。 3 、严格执行 C u mmi n s风扇轴承装配技术标 准，配合间隙，轴向窜动量、径向摆差量，必 须符合技术规 范并按规定力矩，锁紧端部固定 螺母。采用质量上乘 的润滑油进行装配，可借 鉴使用 C u mmi n s公司推荐的 “ 壳牌”5号航空高 温润滑脂为好。按标准调整风扇皮带张力，过 紧，风扇轴承负载大，易产生早期损坏、过松， 皮带打滑，降低皮带寿命，并影响散热功效。 4 、加强设备点检，及时消除例如：散热器 下座螺栓松动、窜位、散热器大小拉杆松动 、 散热器内护板固定螺栓松动、上下左右窜位 以 及风扇 内护圈固定情况，尽力避免风扇运转过 程中，由于上述部位存在问题，产生刮磨现象， 减少机械损坏。 5 、改变风扇结构：风扇安装毂采用双向压 合结构，叶片采用独立 叶片轴系安装结构，即配合方式为孔轴配 合，能够有效减小叶片高速旋转时应力集中 问 题，防止叶片根部断裂。叶片独立生产能够保 证叶片模型精度，提高风扇整体动平衡性。 6 、改变叶片材质，叶片采用玻璃纤维增强 聚酰胺材料，该材料具有质量轻、刚性高、耐 温耐候等特点。风扇毂采用硅铝合金压铸件， 这样 的组合结构能使风扇质量分布集中，减小 叶片离心力，增强风扇使用性能。 以上所述，看似仅为冷却风扇问题，实为 不可小视，因为此故障产生，将产生一系列严 重问题，影 响发动机的正常工作，造成检修工 作量大，造成 昂贵的机件损坏 、损耗，停机时 间较长，严重影响生产，为此，冷却风扇好 坏 也是发动机 正常运转的关键 问题之一，必须引 起高度重视。 参考文献： i 李 杨 ，欧阳 华 ，杜 朝辉 轴流 风 扇 转子 叶片优 化设计 J 上海交通大学学报 2 0 0 7 ( 0 9 ) 2 郭金海 ， 范爱芳 工程机械用冷却风