某核電站立式水泵配套電機(jī)軸承溫升的分析

李波，周曉婧，趙亮，許德忠，范瑞波

(中廣核工程有限公司 設(shè)備采購與成套中心，廣東 深圳 518124)

1 電動機(jī)結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象

電動機(jī)為三相鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)，設(shè)計參數(shù)見表1，電動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，軸承安裝在軸承座內(nèi)，軸承座與軸承端蓋采用分體結(jié)構(gòu)，通過螺栓進(jìn)行緊固；驅(qū)動端為浮動端，采用SKF圓柱滾子軸承NU238ECM/C3；非驅(qū)動端為固定端，采用SKF通用配對角接觸球軸承7336BCBM。軸承內(nèi)外端蓋、甩油盤及軸承座材料為鑄鋼，軸承理論計算壽命大于1×105h。

該電動機(jī)設(shè)置的軸承報警溫度為90 ℃，停機(jī)溫度為95 ℃。前期6臺電動機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2，從表中可以看出，電動機(jī)非驅(qū)動端軸承冬季運(yùn)行溫度與夏季運(yùn)行溫度相差14～24℃。第7臺電動機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行期間非驅(qū)動端軸承溫度最高達(dá)到93 ℃，超出了軸承報警溫度，現(xiàn)場通過多次處理，未能解決該問題，為此將該電動機(jī)進(jìn)行返廠處理。

表1 電動機(jī)參數(shù)

圖1 電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表2 電動機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)

存在問題的電動機(jī)返廠后進(jìn)行空載試驗(yàn)(冬季)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯妱訖C(jī)在冬季非驅(qū)動端軸承溫度最終上升至71 ℃左右，換算至夏季非驅(qū)動端軸承溫度為95 ℃以上，超過了軸承報警溫度值及停機(jī)溫度值。

圖2 電動機(jī)非驅(qū)動端軸承溫度(空載)

2 故障分析

2.1 故障原因

引起軸承溫度升高的原因主要有2種：外部熱量傳遞過多和軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)異常摩擦[1]。結(jié)合具體情況，對可能導(dǎo)致電動機(jī)非驅(qū)動端軸承溫度過高的原因進(jìn)行逐一分析。

1)有外部熱源。軸承附近有高溫?zé)嵩?，并持續(xù)向軸承傳遞熱量。

2)軸承缺油。缺油會導(dǎo)致滾動體與滾道之間出現(xiàn)干摩擦，產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致軸承溫度升高。

3)潤滑脂過多。由于潤滑脂的攪拌發(fā)熱，且導(dǎo)熱系數(shù)比金屬低很多，熱傳導(dǎo)能力差，容易蓄熱導(dǎo)致溫度升高。

4)潤滑脂中混入雜質(zhì)。若潤滑脂中混入雜質(zhì)，將直接影響軸承內(nèi)部的潤滑，引起軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲增大，滾動體、滾道面、異物之間也會產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致軸承發(fā)熱量增加。

5)外圈與端蓋間隙設(shè)置不當(dāng)。若間隙過大，導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中外圈異常運(yùn)動，引起異響摩擦，導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度升高；若間隙過小，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中外圈受熱膨脹，使外圈與端蓋之間產(chǎn)生過大接觸力，使軸承工作游隙減小，導(dǎo)致軸承發(fā)熱量增加。

6)軸與內(nèi)圈過盈量過大。若過盈量過大，導(dǎo)致軸承工作游隙減小，同樣會導(dǎo)致軸承內(nèi)部摩擦增大，軸承發(fā)熱量增加。

7)電動機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡不滿足要求。若電動機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡不滿足要求，將使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的軸心軌跡偏離理想狀態(tài)，軸承也將承擔(dān)額外的載荷，由此導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度升高。

8)電動機(jī)轉(zhuǎn)子、電動機(jī)機(jī)座、軸承端蓋、軸承座的形位公差或尺寸公差不滿足要求。若這些部件形位公差或尺寸公差不滿足要求，將導(dǎo)致電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中定、轉(zhuǎn)子不完全同心，軸承內(nèi)部摩擦增大，運(yùn)轉(zhuǎn)溫度也將升高[2]。

9)軸承游隙選擇不當(dāng)。軸承游隙過大導(dǎo)致振動和噪聲問題，軸承游隙過小引發(fā)過熱及抱軸問題，存在一個最佳的工作游隙使軸承處于最佳運(yùn)行狀態(tài)[3-4]。

10)軸承座結(jié)構(gòu)剛度過小。若軸承座剛度過小，可能會導(dǎo)致電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸承座對軸承的支承剛度不足，使軸承內(nèi)部游隙不均勻，引入異常摩擦，導(dǎo)致軸承溫度升高。

11)軸承設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理。軸承結(jié)構(gòu)會直接影響電動機(jī)的載荷分布，常見的有雙球軸承結(jié)構(gòu)、三軸承結(jié)構(gòu)、球柱聯(lián)合的雙軸承結(jié)構(gòu)等[5]，不同軸承安裝結(jié)構(gòu)對軸承的運(yùn)行產(chǎn)生影響[6〗。

2.2 原因分析

結(jié)合實(shí)際情況，對故障原因進(jìn)行分析排除：電動機(jī)在工廠試驗(yàn)時的環(huán)境溫度較低，電動機(jī)線圈溫度也在正常范圍，因此外部熱源的影響可排除；電動機(jī)返廠后對軸承進(jìn)行了拆解，更換了新軸承，并重新加注潤滑脂，再次試驗(yàn)仍存在上述問題，因此軸承缺油的原因可排除；在工廠試驗(yàn)階段，按照設(shè)計量進(jìn)行潤滑脂加注，進(jìn)行多次試驗(yàn)并未解決該問題，試驗(yàn)期間還將非驅(qū)動端軸承端蓋打開進(jìn)行觀察，并未發(fā)現(xiàn)潤滑脂過多導(dǎo)致的潤滑脂擠出問題，據(jù)此排除潤滑脂過多的因素；電動機(jī)返廠后，工廠更換了新的軸承、重新加注潤滑脂，排除了潤滑脂中混入雜質(zhì)的影響；電動機(jī)返廠后進(jìn)行了拆解檢查，對轉(zhuǎn)子動平衡量重新進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)結(jié)果滿足要求，因此電動機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡不滿足要求的因素可排除；為排查電動機(jī)轉(zhuǎn)子、電動機(jī)機(jī)座、軸承端蓋、軸承座的形位公差或尺寸公差，電動機(jī)返廠后進(jìn)行了多次形位公差和尺寸公差的測量，并未發(fā)現(xiàn)問題，該影響因素可排除。仍待對外圈與端蓋間隙、軸與內(nèi)圈過盈量、軸承游隙、軸承座結(jié)構(gòu)剛度和電動機(jī)軸承配置進(jìn)行深入分析。

由于電動機(jī)驅(qū)動端NU238ECM/C3圓柱滾子軸承相對深溝球軸承噪聲較大、抗擾力差，對安裝接觸面不平、軸承潤滑不良等因素較為敏感，隨著深溝球軸承承載能力、精度、質(zhì)量的提高，行業(yè)內(nèi)大型立式電動機(jī)的驅(qū)動端軸承越來越多的選用深溝球軸承。因此，將電動機(jī)軸承設(shè)計方案中驅(qū)動端軸承由NU238ECM/C3更換為6238/C3，形成2種電動機(jī)軸承配置進(jìn)行對比試驗(yàn)，參數(shù)見表3。

表3 2種軸承設(shè)計方案參數(shù)對比

外圈與端蓋間隙、軸與內(nèi)圈過盈量以及軸承游隙的選擇均與游隙相關(guān)，因此，進(jìn)一步對游隙和軸承座剛度2個因素進(jìn)行深入分析。

2.2.1 不同因素對軸承游隙的影響

參考文獻(xiàn)[3]對軸承游隙進(jìn)行計算，分析2種方案下不同因素對軸承游隙的影響。查SKF軸承手冊，軸承的游隙值見表4。軸承的軸向游隙與徑向游隙可以換算[7]，文中僅對軸承的徑向游隙進(jìn)行計算。

表4 軸承徑向游隙值

1)根據(jù)不同方案的初始過盈量,計算了有效過盈量對軸承游隙的影響結(jié)果，如圖3所示。從圖中可以看出，有效過盈量對圓柱滾子軸承NU238ECM/C3的游隙影響最大，對角接觸球軸承7336BCBM的影響次之，對深溝球軸承6238M/C3的影響最小。

圖3 有效過盈量對軸承游隙的影響

2)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中工作溫度逐漸升高，溫度升高將使材料產(chǎn)生線性膨脹。隨溫度升高，外圈膨脹使軸承游隙增大，內(nèi)圈膨脹使軸承游隙減小，溫度升高對軸承游隙的影響需要綜合計算，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,隨軸承溫度增加，軸承游隙也隨之增加，溫度對角接觸球軸承7336BCBM游隙的影響最大，深溝球軸承6238M/C3的影響次之，圓柱滾子軸承NU238ECM/C3的影響最小。

圖4 軸承溫度對游隙的影響

3)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，離心力對軸承游隙的影響不可忽視，當(dāng)內(nèi)圈高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，內(nèi)圈因離心力作用會膨脹，也會使軸承游隙減小。為此分析轉(zhuǎn)速對軸承游隙的影響，如圖5所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速對圓柱滾子軸承NU238ECM/C3游隙的影響最大。

2.2.2 軸承工作游隙計算分析

根據(jù)軸承工作游隙計算的方法[3]，將有效過盈量、軸承溫度、轉(zhuǎn)速對軸承游隙的影響進(jìn)行疊加，可以得到軸承工作時的實(shí)際游隙。基于2.2.1節(jié)計算分析結(jié)論計算得出了軸承的實(shí)際游隙，并與軸承允許的工作游隙范圍進(jìn)行對比，具體情況如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)速對軸承游隙的影響

圖6 軸承工作游隙計算及對比分析

從圖中可以看出，深溝球軸承6238M/C3的工作游隙僅在常溫狀態(tài)下與其工作范圍契合較好，隨軸承溫度增加，軸承工作所需的游隙值超過了軸承游隙范圍；圓柱滾子軸承NU238ECM/C3的工作游隙在整個工作溫度范圍內(nèi)，基本都落在軸承游隙范圍內(nèi)，對比而言其使用性能優(yōu)于深溝球軸承6238M/C3，因此驅(qū)動端軸承的配對方案1優(yōu)于方案2；角接觸球軸承7336BCBM的工作游隙值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了軸承游隙范圍，這就使得軸承工作游隙過小甚至為負(fù)值，導(dǎo)致軸承發(fā)熱量增大，進(jìn)而導(dǎo)致軸承溫度升高，故需對該軸承的端蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.2.3 軸承座剛度分析

現(xiàn)有的非驅(qū)動端軸承座結(jié)構(gòu)如圖7所示。

該軸承座采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸承端蓋、軸承座用螺栓連接，通過螺栓預(yù)緊力壓緊軸承并調(diào)節(jié)軸承的軸向游隙。一方面，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時組焊件受熱膨脹及螺紋為間隙配合，且軸承座膨脹量與螺栓提升量不同步，從而可能影響軸承的軸向游隙。另一方面，軸承端蓋的原端板厚度僅40 mm，由此導(dǎo)致軸承端蓋的剛度較小，使軸承座抗干擾能力較弱，軸承內(nèi)部工作游隙偏離，最終導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度升高。這與上一節(jié)對非驅(qū)動端軸承游隙的分析結(jié)果一致。

2.3 小結(jié)

綜上分析，導(dǎo)致非驅(qū)動端軸承溫度高的主要原因?yàn)椋?)軸承端蓋與軸承外圈配合公差選擇過小，導(dǎo)致軸承徑向游隙減?。?)由于軸承座與端蓋之間采用螺栓緊固的方式，可能對軸承工作游隙造成影響；3)軸承端蓋厚度過小，使端蓋剛度減小，降低了軸承座的抗干擾能力。

3 改進(jìn)措施

針對上述分析，對軸承座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，具體措施如下：

1) 根據(jù)計算結(jié)果，為減小軸承座與軸承外圈配合的影響，將軸承外圈與軸承座的配合公差K7改為H7。

2) 為減小螺栓緊固對軸承游隙的影響，對軸承內(nèi)端蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將內(nèi)端蓋頂起部位單面加厚10 mm，如圖8所示。

3) 為增加軸承端蓋的剛度，對電動機(jī)非驅(qū)動端端蓋進(jìn)行重新設(shè)計，提升軸承座剛度，將軸承端板厚度由原來的40 mm增加至60 mm(圖9)，并將軸承座內(nèi)徑的配合尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4) 為增加軸承座的儲油能力，將擋油盤外徑單邊增加1 mm，如圖10所示。

圖8 優(yōu)化的軸承內(nèi)端蓋

圖9 加厚的軸承端板

圖10 優(yōu)化的擋油盤

通過以上措施，再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，非驅(qū)動端軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度明顯下降。優(yōu)化前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示，優(yōu)化后的非驅(qū)動端軸承滿足了電動機(jī)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

圖11 優(yōu)化前后非驅(qū)動端軸承溫度對比

4 結(jié)束語

對可能導(dǎo)致該電動機(jī)中軸承溫度高的因素進(jìn)行了逐一的分析研究，最終判定導(dǎo)致軸承溫度高的主要原因?yàn)椋狠S承端蓋與軸承外圈配合公差選擇過小，軸承座與端蓋緊固方式不當(dāng)，軸承端蓋剛度過小?；谏鲜鲈蚍治觯瑢﹄妱訖C(jī)軸承座進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，有效地解決了軸承溫度高的問題。