高壓交流電動(dòng)機(jī)軸電流引起的軸承故障與改進(jìn)措施

沈　蔚

(中國石化上海石油化工股份有限公司公用事業(yè)部，上海200540)

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高壓交流電動(dòng)機(jī)軸電流引起的軸承故障與改進(jìn)措施

沈蔚

(中國石化上海石油化工股份有限公司公用事業(yè)部，上海200540)

摘要：針對(duì)同一臺(tái)高壓交流電動(dòng)機(jī)反復(fù)出現(xiàn)軸承故障的現(xiàn)象，分析闡述了交流電動(dòng)機(jī)內(nèi)外部軸電壓產(chǎn)生的原因，由于軸電壓構(gòu)成的回路電阻很小，以致很小的軸電壓便會(huì)產(chǎn)生很大的軸電流。根據(jù)軸電流對(duì)軸承破壞的共同特征，對(duì)軸電流造成軸承損傷的機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合電動(dòng)機(jī)檢修管理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了軸電流的防止措施和設(shè)防建議措施。

關(guān)鍵詞：交流電動(dòng)機(jī)軸承損傷軸電流分析措施

由于高壓交流電動(dòng)機(jī)的磁路磁場不對(duì)稱、漏磁、剩磁、軸向磁阻變化和外部靜電感應(yīng)、外部電源介入等原因，運(yùn)行中的交流高壓電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生軸電流。而軸電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的軸承和軸瓦造成嚴(yán)重?fù)p傷，出現(xiàn)軸承狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使軸承燒損，而軸承或軸瓦損壞及更換帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失也不可低估。因此必須高度重視和防范交流高壓電動(dòng)機(jī)的軸電流問題。

某企業(yè)E-GA120B急冷油循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)由日本富士公司于1997年4月制造，為560 kW,4極6 kV的增安型電動(dòng)機(jī)，其軸伸端軸承為6226C3和NU226MC3，非軸伸端軸承為NU226MC3。該電動(dòng)機(jī)投用以來一直運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但在2011年1月5日因電機(jī)非負(fù)荷端的冷卻進(jìn)風(fēng)口(下進(jìn)風(fēng)口)被保溫塑料薄膜吸堵，引起軸伸端軸承超溫運(yùn)行，造成軸伸端軸承抱軸故障，同時(shí)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷側(cè)定轉(zhuǎn)子的部分掃膛，經(jīng)搶修后投入正常運(yùn)行。運(yùn)行3個(gè)月左右，該電動(dòng)機(jī)軸承狀態(tài)沖擊脈沖(SPM)監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯惡化，當(dāng)時(shí)懷疑軸承質(zhì)量有問題，不得已安排更換軸承并再次投入運(yùn)行。但2011年10月該電動(dòng)機(jī)軸承狀態(tài)SPM監(jiān)測數(shù)據(jù)再次惡化，經(jīng)對(duì)檢修拆解軸承的觀察分析，發(fā)現(xiàn)NU226MC3軸承內(nèi)圈有明顯的搓板樣條形燒傷痕跡，判斷為軸電流引起的軸承燒損故障。為此采取防止產(chǎn)生軸電流的措施，在非負(fù)荷端改用SKF絕緣軸承，之后該電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行至2015年12月，才因負(fù)荷端軸承保持架突然疲勞故障安排了檢修。期間SPM軸承狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)仍保持良好狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)軸承的正常運(yùn)行壽命得到了保證和延長。

1電動(dòng)機(jī)軸承損傷原因分析

交流電動(dòng)機(jī)是在正弦交變的電壓下運(yùn)行的，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是在正弦交變的磁場中運(yùn)行。由于存在扇形沖片與極對(duì)數(shù)關(guān)系不正確，硅鋼片鐵芯材料的方向性等疊加因素，鐵芯槽、通風(fēng)孔等存在剩余磁通等問題，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁路中產(chǎn)生不平衡的磁阻，電動(dòng)機(jī)中便產(chǎn)生與軸相交鏈的交變磁通，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。該電壓是沿軸向產(chǎn)生的，如果與軸兩側(cè)的軸承直接接觸形成閉合回路，將有軸電流產(chǎn)生。

幾乎所有的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)或多或少都會(huì)產(chǎn)生某種水平的軸電壓，除了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部因磁路中磁阻不平衡產(chǎn)生的軸電壓外，還有外部原因諸如逆變電源供電運(yùn)行產(chǎn)生的、靜電感應(yīng)產(chǎn)生的、外部測控元件電源的介入產(chǎn)生的以及負(fù)載方面的流體與旋轉(zhuǎn)體相互間的摩擦而在旋轉(zhuǎn)體形成靜電荷積累產(chǎn)生的軸電壓。只要軸電壓高于某一特定水平，就是一種故障隱患[1]。電動(dòng)機(jī)所容許的軸電壓、軸電流的大小與軸承類型、運(yùn)行狀態(tài)、潤滑油質(zhì)、轉(zhuǎn)速、安裝質(zhì)量、現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境和軸電流流經(jīng)路徑的阻抗等許多因素有關(guān)。相對(duì)于滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承由于滾珠(滾柱)與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸面積更小，電流密度更大，對(duì)軸電流的敏感度比滑動(dòng)軸承更大，凡有軸電流的電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)軸硬度及機(jī)械強(qiáng)度比軸承燒熔合金的高，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，于是在軸承內(nèi)表面形成凹坑或凹槽。拆下滾動(dòng)軸承檢查，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈滾道上有像洗衣搓板樣的條形損傷痕跡，這是軸電流對(duì)滾動(dòng)軸承破壞的共同特征[2]。此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在滾珠或滾柱在碾壓接觸的地方接觸電阻很小，并將潤滑油脂擠向兩側(cè)，當(dāng)滾動(dòng)體將要離開原位置時(shí)，產(chǎn)生小間隙，此時(shí)就有放電現(xiàn)象產(chǎn)生，將跑道燒成條狀痕跡；線條的個(gè)數(shù)與軸電流頻率、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和軸承內(nèi)狀況有關(guān)。

軸電流對(duì)滾動(dòng)軸承造成的危害主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)由于電弧放電和電離，電動(dòng)機(jī)軸承內(nèi)的潤滑劑劣化加速，導(dǎo)致潤滑性能和介電強(qiáng)度降低；

(2)軸電流在轉(zhuǎn)軸和軸承內(nèi)表面將產(chǎn)生許多電蝕點(diǎn)，破壞了軸承與轉(zhuǎn)軸的良好配合，破壞油膜形成條件；

(3)軸承運(yùn)行溫度升高，噪聲和振動(dòng)加劇，甚至伴有潤滑油脂流出；

(4)過大的軸電流密度甚至?xí)斐蓢?yán)重的灼傷，在軸承滾道表面形成不可逆的麻點(diǎn)(凹坑)和凹槽；

(5)在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，過大的軸電流產(chǎn)生的過熱或火花，將可能引發(fā)爆炸等惡性事故。

一般通過滾動(dòng)軸承的最大電流密度不得超過1.5 A/mm2，否則軸承性能將嚴(yán)重惡化，損害輕微的可運(yùn)行上千小時(shí)，嚴(yán)重的甚至只能運(yùn)行幾小時(shí)，給現(xiàn)場安全生產(chǎn)帶來極大的影響。美國電氣制造商協(xié)會(huì)編寫的NEMAMGI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，按IEEE112《多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，給出了不同軸電壓、軸電流水平對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承造成的影響，通常以表1和表2所示規(guī)定作為電動(dòng)機(jī)軸電壓和軸電流的參考[1-2]。

表1　軸電壓對(duì)軸承的影響

表2　軸電流對(duì)軸承的影響

根據(jù)表1和表2的參考限值：對(duì)于滑動(dòng)軸承，軸電壓小于0.5 V，軸電流小于10 A，基本無燒蝕，可滿足正常穩(wěn)定運(yùn)行；而對(duì)于滾動(dòng)軸承，軸電壓小于0.3 V，軸電流小于1 A，一般滾動(dòng)軸承才能滿足正常穩(wěn)定運(yùn)行。

E-GA120B電動(dòng)機(jī)第一次故障運(yùn)行前后，其運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行條件均沒有任何變化，可以判明不存在外部原因引起軸電流的可能，因此只能從電動(dòng)機(jī)本身尋找原因。該電動(dòng)機(jī)故障前運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)正常，說明設(shè)計(jì)制造時(shí)，磁路磁場對(duì)稱性控制很好，軸電壓和軸電流滿足正常運(yùn)行要求。而當(dāng)該電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)抱軸和負(fù)荷側(cè)部分掃膛故障后，電動(dòng)機(jī)磁路磁場的對(duì)稱性遭到破壞，導(dǎo)致磁阻不平衡(檢修后仍存在硅鋼片粘連，使得磁性材料定向?qū)傩园l(fā)生變化以及氣隙不均勻等現(xiàn)象)，產(chǎn)生超出正常運(yùn)行要求的軸電壓。又由于該電動(dòng)機(jī)在阻斷軸電流方面沒有采取任何設(shè)防措施，使得電動(dòng)機(jī)前后軸承內(nèi)外圈、軸承室、機(jī)座形成了閉合回路，于是產(chǎn)生了超出正常運(yùn)行要求的軸電流，加劇了軸承的損傷，縮短了軸承使用壽命。

對(duì)有害的軸電壓和軸電流可通過兩種方法來判別[1]：一是通過電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)檢測軸電壓的方式；二是通過觀察拆解下來的故障滾動(dòng)軸承來判別，凡是軸電流引起的燒傷，在拆除軸承檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對(duì)滾動(dòng)軸承破壞的共同特征。根據(jù)以上分析，該電動(dòng)機(jī)軸承頻繁故障的真正原因是軸承抱軸故障引起定轉(zhuǎn)子部分掃膛，造成電動(dòng)機(jī)磁路磁阻不平衡而產(chǎn)生的有害軸電流所致。

2防止電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生軸電流的措施

軸電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)是沒有損害的，只有形成軸電流才會(huì)對(duì)軸承和轉(zhuǎn)軸造成破壞，軸電流的形成需要同時(shí)具備兩個(gè)條件：一是軸承內(nèi)圈和軸承外圈、軸承室、機(jī)座形成一個(gè)閉合回路；二是軸承的內(nèi)圈和外圈之間存在電位差，即軸電壓。上述兩個(gè)條件只要有一個(gè)不具備，就不會(huì)產(chǎn)生軸電流。

實(shí)際制造、使用、檢修過程中，通常采取的防止措施：一是阻斷形成軸電流的閉合回路；二是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝旁路電刷。在阻斷形成軸電流的閉合回路方面，可采取的途徑和方法有：

(1)在電動(dòng)機(jī)非負(fù)荷端直接采用絕緣軸承，此方法簡單、有效、可靠，缺點(diǎn)是訂貨周期長，軸承更換費(fèi)用高，可通過有效的管理來克服(如加強(qiáng)與軸承供應(yīng)商的聯(lián)系，落實(shí)庫存?zhèn)浼捅９艽胧┑?。

(2)在電動(dòng)機(jī)非負(fù)荷端采用絕緣軸承室，軸承室是一個(gè)帶絕緣層的載體，可通過對(duì)軸承室內(nèi)表面和端面用等離子均勻噴涂50～100 μm高性能耐熱陶瓷絕緣層，也可在端蓋軸承室嵌入隔套，套與端蓋間夾墊絕緣層，相應(yīng)緊固內(nèi)外蓋的螺栓加絕緣套管和絕緣墊等措施。絕緣軸承室也有缺點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)和工藝都相對(duì)復(fù)雜，絕緣層的制作需要專業(yè)廠家完成；二是電動(dòng)機(jī)反復(fù)檢修容易損傷絕緣層，此類事故在同企業(yè)另一臺(tái)B-GB1101隔爆型860 kW四極進(jìn)口電動(dòng)機(jī)的檢修過程中曾有發(fā)生，最后通過更換絕緣軸承得以解決；三是防爆電動(dòng)機(jī)檢修中需要設(shè)防時(shí)，因結(jié)構(gòu)工藝的改變，其防爆性能難以保證。

(3)對(duì)于滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，通常的方法是在固定軸承部位加墊環(huán)氧玻璃布板，并緊固螺栓加絕緣套管和絕緣墊，進(jìn)出油路的管道加絕緣管接頭等設(shè)防措施。

(4)在某些情況下，為了與負(fù)載機(jī)械保持開路，還必須采用一些特殊的預(yù)防措施，如直接聯(lián)接到電動(dòng)機(jī)的聯(lián)軸器要采取絕緣措施，各類檢測、控制設(shè)備均要采取絕緣措施。

關(guān)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝旁路電刷，其原理是破壞軸電流形成的第二個(gè)條件，消除軸承內(nèi)外圈之間的電位差，缺點(diǎn)是不適宜爆炸危險(xiǎn)區(qū)域使用，僅適用于由靜電引起軸電壓的消除。

在本案中，電動(dòng)機(jī)軸電流的產(chǎn)生是由電動(dòng)機(jī)內(nèi)部引起的，根據(jù)上述防止軸電流的措施，結(jié)合實(shí)際使用、檢修的可行性，決定對(duì)該交流高壓電動(dòng)機(jī)非負(fù)荷端的軸承直接改用絕緣軸承，以阻斷軸電流的閉合回路，從而消除軸電流對(duì)軸承的損傷。

通過采取以上阻斷軸電流的解決措施，該電動(dòng)機(jī)軸承可正常運(yùn)行4年有余，減少了因頻繁更換軸承帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。

3結(jié)語

在使用滾動(dòng)軸承的交流高壓電動(dòng)機(jī)的檢修管理中，一旦發(fā)生軸承損壞和定轉(zhuǎn)子掃膛，在檢修中應(yīng)特別注意軸承表面痕跡。凡是軸電流引起的軸承燒傷，都會(huì)在軸承內(nèi)外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對(duì)軸承破壞的共同特征?；蛘咴跈z修和試驗(yàn)時(shí)，建議檢測交流高壓電動(dòng)機(jī)軸兩端的軸電壓，并按是否大于300 mV的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)防。對(duì)于在防爆危險(xiǎn)環(huán)境中使用的交流高壓電動(dòng)機(jī)，只能采取阻斷軸電流回路的方法，主張?jiān)诜秦?fù)荷端直接改用絕緣軸承的方法來阻斷軸電流?？傊?，為減少軸電流的危害，要根據(jù)供電的品質(zhì)、電動(dòng)機(jī)大小、運(yùn)行環(huán)境、軸承類型以及軸電壓大小等具體情況，采取相應(yīng)有效可行的措施，延長軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]梁慶信譯.感應(yīng)軸承電流[J].中小型電機(jī),2002,29(3):3.

[2]宋昌才.電機(jī)軸承使用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009:5.

Bearing Failure of High Voltage AC Motor Caused by Shaft Current and the Prevention Measures

Shen Wei

(PublicUtilitiesDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

ABSTRACT

Keywords：AC motor,shaft bearing damage,shaft current,analysis,measures

收稿日期：2015-11-30。

作者簡介：沈蔚，男，1957年出生，1982年畢業(yè)于上海工業(yè)大學(xué)電機(jī)工程專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)為公用事業(yè)部電氣管理主任師，從事電氣管理工作。

文章編號(hào)：1674-1099(2016)01-0051-03中圖分類號(hào)：TH17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

In view of the repeated bearing failures on the same high voltage AC motor,the causes for generation of shaft voltage inside and outside the AC motor were analyzed.As the electric resistance in the return circuit

constituted by the shaft voltage,a small shaft voltage will produce a large shaft current.Considering the common characteristics of bearing damage caused by shaft current,the mechanism of bearing damage was analyzed.Prevention measures and fortification suggestions for shaft current were raised based on the above analysis and practical experiences in motor maintenance and management.