壓裂車散熱系統風扇馬達軸及軸套失效分析

周開知

摘 要：針對壓裂車散熱系統風扇馬達軸及軸套失效問題，分別從結構形式、外形尺寸、硬度等方面開展了分析研究，查找出風扇馬達軸與軸套之間的配合不同心為故障產生的主要原因，同時對配合尺寸、零部件硬度提出改進要求，解決散熱系統失效問題。

關鍵詞：壓裂車；散熱系統；風扇馬達；失效分析

中圖分類號： TE934.202 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-168-2

0 引言

壓裂車是對油氣儲層進行壓裂的主力裝備，由于輸出功率大（>2000hp），工作壓力高（80-130MPa）的特點，其匹配的扇熱系統要求尺寸小、重量輕，現有壓裂車的散熱系統采用臥式結構冷卻系統，通過驅動液壓風扇馬達帶動風扇工作，實現發動機、傳動箱和壓裂泵等系統的冷卻。在應用中出現多起散熱系統失效的問題，本文針對風扇馬達及軸套過早斷裂進行原因分析，提出解決方案，為保障壓裂車散熱系統長時間有效工作提供了保障。

1 馬達軸及軸套出現的失效問題

通過對現場問題進行收集，散熱系統故障最突出的問題是風扇馬達和軸套失效，其失效將造成發動機缸套水、中冷水、壓裂泵潤滑油等系統溫度過高，嚴重時造成整機停機、影響生產運行，表1為散熱系統事故匯總表。失效問題集中體現在斷軸、滾鍵、漏油等，可以確定在大扭矩作用（1250N.m）下馬達軸與軸套的設計、安裝出現問題。

2 散熱系統結構形式分析

經過對比分析失效散熱系統風扇驅動結構，發現現有壓裂車風扇馬達的安裝形式有兩種：一種為焊接時整體結構風扇，另一種為螺栓連接的分體式結構風扇，如圖1、圖2所示。整體式結構風扇的連接法蘭通過焊接后加工形成，分體式結構風扇的連接法蘭與軸套之間通過螺栓裝配進行連接。

失效風扇多為分體式結構，采用分體軸承座安裝形式，導致花鍵軸與馬達軸不同心，軸套偏磨并滾鍵，風扇停轉后，水開鍋噴出。同時風扇轉速始終在最高轉速850r/min下運行，高于風扇設計要求的最高轉速為765r/min，加劇了風扇馬達軸的磨損斷裂。

3 外形尺寸分析

針對失效得分體式風扇結構，進行外觀檢查，完成風扇馬達及軸套等零部件的拆解，對失效后的馬達軸外花、軸套內花鍵進行尺寸檢測，檢測結果如表2所示。通過分析可以發現馬達外花鍵、軸套內花鍵的實物、圖紙、檢驗尺寸不規范，造成內外花鍵配合未按照設計要求執行。

應用過程中，由于馬達在帶動風扇轉動過程中，不允許馬達出軸端承受較大的徑向力，風扇間隙配合、動平衡不好，會通過風扇聯軸器傳遞到馬達軸，從而造成馬達轉子出現徑向擺動，擺動幅度大于轉子和配流盤的間隙（0.04mm），將造成馬達的軸封漏油和花鍵軸滾鍵現象。

4 硬度分析

對馬達軸、鍵以及軸套等進行硬度試驗，經測定馬達軸外花鍵軸表面硬度HRC54.7-56.5（要求硬度HRC49.1～52.3），花鍵硬度HRC22.4-26.7（要求硬度HRC25～28），風扇軸套表面硬度HRC19-22（要求硬度HRC29.2～34.2），花鍵軸硬度高于技術要求，馬達花鍵、軸套表面硬度均低于技術要求。（見表3）

5 結論

①失效風扇采用的分體式風扇結構形式不合理，風扇馬達軸與軸套之間的配合易出現不同心，導致軸套偏磨并滾鍵，是風扇馬達或軸套失效的主要原因。

②馬達外花鍵、軸套內花鍵的實物、圖紙、檢驗尺寸不規范，間隙過大時出現徑向擺動，應統一檢驗尺寸，強化檢測手段。

③馬達花鍵、軸套表面硬度不夠，需要提高調質硬度，增強軸套、花鍵的耐磨性及使用壽命。