YBF系列隔爆型高壓三相異步電動機稀油潤滑滾動軸承結(jié)構(gòu)研究

(中國船舶重工集團有限公司第七0三研究所，黑龍江哈爾濱 150078)

0 引言

YBF系列風(fēng)機用隔爆型高壓三相電動機主要用于對煤礦、礦山等場所礦用主通風(fēng)機的驅(qū)動，礦用主通風(fēng)機是煤礦、礦山井下重要的通風(fēng)設(shè)備，關(guān)乎煤礦、礦山企業(yè)的財產(chǎn)安全及井下生產(chǎn)工作人員的生命安全，其重要性不言而喻。目前，市場上傳統(tǒng)的YBF系列電機一直采用的是油脂潤滑軸承結(jié)構(gòu)，由于YBF 系列電機使用的工況環(huán)境較差且在運行時承受的載荷也較為復(fù)雜，所以油脂潤滑的軸承結(jié)構(gòu)時常出現(xiàn)故障，影響用戶的使用和生產(chǎn)。而YBF稀油潤滑軸承結(jié)構(gòu)系列電機改變了傳統(tǒng)的軸承結(jié)構(gòu)定式，從機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計到潤滑劑的選擇都與傳統(tǒng)滾動軸承結(jié)構(gòu)完全不同，稀油潤滑軸承結(jié)構(gòu)具有承載能力大、運行可靠等優(yōu)點，可整體提高電動機的可靠性，有效降低用戶的維修、維護成本。

1 傳統(tǒng)YBF系列電機脂潤滑滾動軸承結(jié)構(gòu)的失效分析

YBF系列風(fēng)機用高壓隔爆型三相異步電動機主要驅(qū)動的負載為煤礦上所用的主通風(fēng)機，其工作條件非常惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)電動機軸承損壞的故障。工作中的軸承結(jié)構(gòu)是個復(fù)雜的受力體，除了葉輪施加的徑向重力載荷和軸向推力載荷外，運行中粉塵引起葉輪結(jié)構(gòu)不平衡的離心力，葉輪進氣不均勻引起的交變推力載荷，通風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速引起的不穩(wěn)定工況和喘振都會使電動機支撐軸承造成過早的疲勞破壞。但是，究其根本原因電動機軸承支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性是造成軸承過早失效的根本原因。

靜不定問題的出現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中是非常不合理的甚是是一種嚴重設(shè)計缺陷。超靜定設(shè)計的定位結(jié)構(gòu)有時會產(chǎn)生巨大的支撐反力，造成軸承、齒輪、軸等零部件的破壞。

圖1傳統(tǒng)YBF系列電機脂潤滑軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2靜不定軸承支撐結(jié)構(gòu)的簡化力學(xué)模型

靜不定軸承結(jié)構(gòu)為什么會產(chǎn)生非常大的附加支反力？電動機的軸是剛性軸，理論情況下電動機在正常運行時不會出現(xiàn)振動。機座在焊接后，殘余應(yīng)力釋放充分、徹底，機械加工也是理想狀態(tài)，機座結(jié)構(gòu)不會在電動機運行過程中由于參與應(yīng)力的釋放產(chǎn)生的機座變形，那么這種靜不定結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生附加的支撐反力，按靜定結(jié)構(gòu)計算的軸承支撐反力是正確的。但是，軸系的振動，機座的變形在實際中是不可避免的。轉(zhuǎn)子振動，加工誤差和機座變形后軸系的簡化力學(xué)模型如圖3、圖4、圖5所示。

圖3靜不定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的振動變形模型

圖4靜不定結(jié)構(gòu)支撐機殼變形引起的附加載荷

圖5靜不定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子機殼端盤變形引起的附加載荷

解除約束，以相應(yīng)的支撐反力等效支撐后如圖6、圖7所示，其中，R1，R2—垂直方向的支撐反力；R3—水平方向的支反力；M1，M2—支座1和支座2處的反力偶矩；F1，F(xiàn)2—力偶矩在支座1和支座2處產(chǎn)生的等價力；a—力偶矩的等效力臂，M1=aF1，M2=aF2；d—徑向軸承內(nèi)圈的滾道直徑。

由圖6，圖7可以看出，即使非常小的振動和變形，與電動機整體結(jié)構(gòu)尺寸相比，由于力臂a非常小，F(xiàn)=M/a，也會產(chǎn)出非常大的力F1和F2(撬杠效果)。

圖6滾柱徑向軸承的靜不定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子簡化力學(xué)模型

圖7球徑向支撐靜不定軸系的簡化力學(xué)模型

2 改良后的YBF系列電機稀油潤滑滾動軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢特點

改良后的稀油潤滑滾動軸承結(jié)構(gòu)在理論上解決了靜不定軸承支撐的問題，同時提高了軸承承載能力。圖8給出了具有承受嚴酷載荷的新系列稀油潤滑滾動軸承結(jié)構(gòu)，其簡化力學(xué)模型如圖9所示。該軸承結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點在于調(diào)心和雙列軸承的采用，調(diào)心和軸向浮動設(shè)計，解除了傳統(tǒng)設(shè)計的多余約束，使之成為靜定結(jié)構(gòu)。由于調(diào)心結(jié)構(gòu)的存在，載荷可以在單邊的兩排軸承中自動調(diào)節(jié)平衡，單邊的雙排軸承之間設(shè)置了兩個圓環(huán)，增加了雙排柱軸承間的軸向距離，目的是避免軸承滾動體保持架干涉；同時使之具有一定的“力臂”值，當(dāng)軸驅(qū)使軸承組擺動時，盡可能減小作用在每排軸承上的力(擺動力矩一定的條件下，力臂越大力就越小)。

圖8改良后的YBF系列稀油潤滑滾動軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖9靜定軸承支撐結(jié)構(gòu)的簡化力學(xué)模型

圖8所示的重載調(diào)心結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)對于圖3、圖4、圖5所示的振動和變形能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)，始終保持結(jié)構(gòu)的靜定性，不產(chǎn)生附加的支反力。

采用稀油潤滑的方式，可極大的改善潤滑條件。與傳統(tǒng)的油脂潤滑相比，稀油潤滑可增強軸承的散熱能力，通過循環(huán)油帶走軸承運行時產(chǎn)生的熱量，并且稀油潤滑較油脂潤滑充分，可有效減少由于潤滑不充分造成的軸承過早失效。

3 結(jié)語

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該避免出現(xiàn)靜不定問題，靜不定結(jié)構(gòu)有時會產(chǎn)生極大的支反力，造成結(jié)構(gòu)破壞和零件失效。

與常規(guī)轉(zhuǎn)子支撐相比，對于工作環(huán)境惡劣的，載荷波動大的工作場合單邊可以加裝多排徑向軸承。而傳統(tǒng)支撐單邊如果加裝兩排徑向軸承就會造成嚴重的超定位問題，不但不能起到加強支撐的作用，很可能迅速造成軸承組的破壞。單排常規(guī)支撐通常會通過滾動碾壓產(chǎn)生塑性變形使柱形滾動體變?yōu)楣男味邆湮⒘康恼{(diào)心能力，代價是滾動體或滾道的金屬材料組織遭受局部破壞，減少了疲勞壽命。球形滾動體徑向軸承也可以通過滾動碾壓使?jié)L道產(chǎn)生塑性變形，但軸承壽命降低，支撐精度下降。