齒輪泵減速箱輸入軸承損壞分析

宋 武

（洛陽石化聚丙烯有限責(zé)任公司，河南洛陽 471012）

齒輪泵減速箱輸入軸承損壞分析

宋 武

（洛陽石化聚丙烯有限責(zé)任公司，河南洛陽 471012）

介紹了齒輪泵減速箱輸入端軸承異常損壞的原因，分析了軸承損壞的具體細(xì)節(jié)以及軸電流產(chǎn)生的原因，闡述了軸電流導(dǎo)致軸承失效的先期檢測分析方法，并從電機(jī)本身角度出發(fā)，介紹了防止變頻電動機(jī)軸電流危害的措施。

軸電流；軸承；搓板狀；變頻調(diào)速器

1 系統(tǒng)簡介

洛陽石化分公司聚丙烯造粒裝置設(shè)計(jì)最大負(fù)荷8.5 t/h，其中的關(guān)鍵機(jī)組為樹脂增壓齒輪泵（設(shè)備位號：Z501/02；型號：GP280T；輸出轉(zhuǎn)速：100～1000 r/min）由日本制鋼所制造，其驅(qū)動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電機(jī)及變頻調(diào)速器。驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)地，意大利；型號，B2C 400LW6；功率，270 kW，變頻調(diào)速器型號：德國西門子HIC-315-380；功率，315 kW。電動機(jī)軸伸端軸承（型號為NU322-C3）和自由端軸承（型號為7222B6+7222BG），電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸上部安裝一個(gè)巨大的風(fēng)扇，靜子圓周設(shè)有通風(fēng)散熱槽。

2 存在問題

從裝置投產(chǎn)到2003年電動機(jī)運(yùn)行狀況良好。但此后運(yùn)行狀況逐步變差，檢修后的電動機(jī)，在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)異常聲音，且聲音逐步增大，不得不更換電動機(jī)前后軸承。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動機(jī)1998年檢修1次，2005年1次，2006年2次，2007年1次，2008年2次。電動機(jī)運(yùn)行周期越來越短，造成檢修工作量劇增。更為嚴(yán)重的是齒輪泵減速箱輸入端軸承總是發(fā)生異常損壞，從2006年至2008年每年都要檢修1次，拆卸后發(fā)現(xiàn)軸承間隙嚴(yán)重超標(biāo)，軸承內(nèi)套露出大面積搓板狀磨損，軸承間隙超差5倍以上，并導(dǎo)致對中超差3倍，影響到公司造粒機(jī)組的安全穩(wěn)定長期運(yùn)行。每次更換齒輪泵減速箱輸入端軸承，檢修大約需要停工15 h，直接經(jīng)濟(jì)損失約30萬元，嚴(yán)重影響了公司的經(jīng)濟(jì)效益。

3 原因分析

經(jīng)分析，認(rèn)為齒輪泵減速箱輸入端軸承受損的根源為軸電流所致。電機(jī)磁通脈動造成軸電壓累積，軸承內(nèi)油膜由于電壓擊穿形成軸電流，軸電流持續(xù)不斷地通過聯(lián)軸器，對減速箱輸入端軸承內(nèi)圈放電，導(dǎo)致軸承滾道產(chǎn)生麻點(diǎn)，這種損害不斷擴(kuò)大，在滾道上形成搓板狀的傷痕。此時(shí)，減速箱輸入端的異常噪音非常明顯，最終被迫更換軸承。此外由于減速箱的多次檢修，安裝間隙不斷加大從而加劇了軸承的損壞。

在電動機(jī)運(yùn)行過程中，如果在電機(jī)兩軸承端或轉(zhuǎn)軸與軸承間存在軸電流時(shí)，將會大大縮短電機(jī)軸承或與之相連接的一級齒輪軸承的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)只能運(yùn)行500 h。軸電壓、軸電流的產(chǎn)生原因如下：

3.1 磁不平衡產(chǎn)生軸電壓

交流異步電動機(jī)在正弦交變的電壓下運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)子處在正弦交變的磁場中。由于電動機(jī)定轉(zhuǎn)子扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風(fēng)孔等的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。當(dāng)電動機(jī)的定子鐵芯圓周方向上的磁阻發(fā)生不平衡時(shí)，產(chǎn)生與軸相交鏈的交變磁通，從而產(chǎn)生交變電勢。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動即磁極旋轉(zhuǎn)，通過各磁極的磁通發(fā)生了變化，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓，產(chǎn)生了與軸相交鏈的磁通。隨著磁極的旋轉(zhuǎn)，與軸兩側(cè)的軸承形成閉合回路，就產(chǎn)生了軸電流。一般情況下這種軸電壓大約為1～2 V。

3.2 變頻器驅(qū)動產(chǎn)生軸電壓

電動機(jī)采用變頻器驅(qū)動運(yùn)行時(shí)，供電電壓含有高次諧波分量，使定子繞組線圈端部、接線部分、轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)從而產(chǎn)生軸電壓。

異步電動機(jī)的定子繞組是嵌入定子鐵芯槽內(nèi)的，定子繞組的匝間以及定子繞組和電動機(jī)機(jī)座之間均存在分布電容，當(dāng)通用變頻器在高載頻下運(yùn)行時(shí)，逆變器的共模電壓產(chǎn)生急劇變化，會通過電動機(jī)繞組的分布電容由電動機(jī)的外殼到接地端之間形成漏電流。該漏電流有可能形成放射性和傳導(dǎo)性兩類電磁干擾。而由于電動機(jī)磁路的不平衡，靜電感應(yīng)和共模電壓產(chǎn)生又是產(chǎn)生軸電壓和軸電流的起因。當(dāng)定子繞組輸入端突加陡峭變化的電壓時(shí)，由于分布電容的影響，繞組各點(diǎn)電壓分布不均，使輸入端繞組接近端口部分電壓高度集中而引起絕緣破壞或老化。這種現(xiàn)象一般破壞的部分是定子繞組，電壓常集中于侵入的端點(diǎn)部位。此外，由于繞組的電抗較大，輸入電壓的高頻分量將集中于輸入端點(diǎn)附近的分布電容上，通過配電線、繞組、機(jī)殼間的分布電容到接地線流通電流，形成一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，當(dāng)其中產(chǎn)生高頻諧振電流時(shí)，就會產(chǎn)生各式各樣的故障。

一般通用變頻器驅(qū)動容量較小的異步電動機(jī)時(shí)，軸電壓的問題可以不考慮，聚丙烯造粒裝置齒輪泵電機(jī)功率為270 kW，驅(qū)動方式采用的就是變頻調(diào)速形式（型號：德國西門子HIC-315-380；功率：315 kW），使用超過200 kW的電動機(jī)時(shí)，尤其是進(jìn)行變頻器調(diào)速的場合，最好能夠用儀器確認(rèn)軸電壓的大小，以便及早采取預(yù)防措施。

3.3 靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓

在電動機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場，由于高壓設(shè)備強(qiáng)電場的作用，在轉(zhuǎn)軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。

3.4 靜電荷

電動機(jī)在運(yùn)行過程中，負(fù)載方面的流體與轉(zhuǎn)體運(yùn)行磨擦而在旋轉(zhuǎn)體上產(chǎn)生靜電荷，電荷逐漸積累便產(chǎn)生軸電壓。由這種情況產(chǎn)生的軸電壓和由磁交變產(chǎn)生的軸電壓在原理上是不同的。靜電荷產(chǎn)生的軸電壓是間歇的，并且是非同期性的，其大小與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、流體的狀態(tài)等因素關(guān)系很大。如靜電荷的積累、測溫元件絕緣破損等因素都有可能導(dǎo)致軸電壓的產(chǎn)生。軸電壓建立起來后，一旦在轉(zhuǎn)軸及機(jī)座、殼體間形成通路，就產(chǎn)生軸電流。

3.5 外部原因

外部電源的介入產(chǎn)生軸電壓。由于運(yùn)行現(xiàn)場接線比較繁雜，尤其大電機(jī)保護(hù)、測量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上，便會產(chǎn)生軸電壓。

由上分析，電動機(jī)的軸電壓、軸電流是由于環(huán)境電動機(jī)軸的磁路不對稱、轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不同心、感受生脈動磁通等原因產(chǎn)生的。它會使軸—軸承—機(jī)座的回路有軸電流流通，在電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸兩端、軸與軸承之間、軸與軸承對地形成軸電壓。根據(jù)軸承的種類不同，其耐壓程度有所不同，若超過軸承所允許的值，會通過油膜放電或者導(dǎo)電，在軸瓦和軸承處產(chǎn)生點(diǎn)狀微孔，并在底部產(chǎn)生發(fā)黑現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)會使軸和軸承受到損壞，運(yùn)行中伴隨著強(qiáng)烈的噪聲及設(shè)備外殼帶電等。

4 電動機(jī)軸電流的危害

正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間的潤滑油膜起到絕緣的作用。對于較低的軸電壓，不會產(chǎn)生軸電流。當(dāng)軸電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，尤其在潤滑油膜還未穩(wěn)定形成時(shí)，軸電壓將擊穿油膜構(gòu)成回路，產(chǎn)生相當(dāng)大的軸電流，可達(dá)到幾百安甚至上千安。由于該金屬接觸面很小，電流密度大，使軸承局部燒熔，被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺，于是在軸承內(nèi)表面上燒出小凹坑。通常表現(xiàn)出來的癥狀是軸承內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕，嚴(yán)重時(shí)足以把軸頸和軸瓦燒壞。

由運(yùn)行摩擦在軸上產(chǎn)生的靜電荷，使軸的電位因被充電而升高。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軸接觸到旋轉(zhuǎn)體以外的任何部件時(shí)，便通過該部件進(jìn)行放電。否則就要繼續(xù)積累電荷，最后產(chǎn)生過高的電壓，如果超過軸承油膜的絕緣強(qiáng)度時(shí)，電荷在極短的時(shí)間內(nèi)放電。這種現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生的結(jié)果，就能使軸受到損傷。

我公司齒輪泵減速箱輸入端軸承運(yùn)行周期縮短，軸承受損現(xiàn)象不同于軸承的正常磨損，而是屬于某種物質(zhì)對軸面進(jìn)行局部的腐蝕。從腐蝕的情況來看屬于點(diǎn)腐蝕，斑點(diǎn)面積最大的達(dá)到8 mm2，深度達(dá)到0.5 mm。從形成搓板狀的傷痕來看，是非常典型的電蝕現(xiàn)象，齒輪泵減速箱輸入端的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪音逐漸增大，只得更換軸承。經(jīng)過現(xiàn)場分析，排除了機(jī)械損傷和化學(xué)腐蝕的因素，最后確定為軸電流所致。

5 防止軸電流產(chǎn)生的措施

5.1 安裝接地碳刷

在軸端安裝接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且與轉(zhuǎn)軸可靠接觸，保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，隨時(shí)將電機(jī)軸上的靜電荷引向大地，以此消除軸電流。我公司在齒輪泵電機(jī)聯(lián)軸器處安裝滑刷接地裝置后，上述問題得到解決，近一年內(nèi)未再次更換齒輪泵減速箱輸入端軸承。

5.2 絕緣措施

為防止磁不平衡等原因產(chǎn)生軸電流，在非軸伸端的軸承座和軸承支架處加絕緣隔板，或者定做絕緣聯(lián)軸器，切斷軸電流的回路。

要求檢修運(yùn)行人員細(xì)致檢查并加強(qiáng)導(dǎo)線或墊片絕緣。在機(jī)座中除一個(gè)軸承座外，其余軸承座及包括所有裝在其上的儀表外殼等金屬部件都對地絕緣，不絕緣的軸承應(yīng)裝接地電刷以防靜電充電。對于由軸交鏈交變磁通所產(chǎn)生的軸電壓，可在電動機(jī)一側(cè)的軸承座下加絕緣墊以割斷軸與軸瓦之間形成的回路，使軸電流無法產(chǎn)生。但在實(shí)際工作中對絕緣墊的作用認(rèn)識不清，從絕緣墊加裝的方法和軸承座與油管道的連接上都不同程度地出現(xiàn)過問題，最后造成絕緣墊起不到絕緣作用，進(jìn)而形成軸電流。所以我們要經(jīng)常檢查軸承座的絕緣強(qiáng)度，用500V搖表測量，絕緣不得低于0.5 M。

5.3 保證油膜的絕緣強(qiáng)度

保持軸與軸承之間潤滑絕緣介質(zhì)油的純度，發(fā)現(xiàn)油中帶水必須進(jìn)行過濾處理，否則油膜的絕緣強(qiáng)度不能滿足要求，容易被低電壓擊穿。

6 結(jié)語

一般通過以上處理，電動機(jī)的軸電流微乎其微，對電動機(jī)構(gòu)不成實(shí)質(zhì)危害?，F(xiàn)場實(shí)踐證明，改進(jìn)后的運(yùn)行周期明顯延長，解決了齒輪泵減速箱輸入端軸承壽命短的問題。通過長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，證明這種方法對防治大型交流異步電動機(jī)軸電流的危害是合理可行的。

TQ056.2

B

1003-3467（2010）13-0055-03

2010-04-22

宋 武（1972-），男，工程師，從事設(shè)備管理與維修工作，電話：（0379）66992860。