變頻電機軸承電蝕現(xiàn)象分析與處理方法

胡曉慶 焦振洋 劉可夫

摘 要：現(xiàn)階段，隨著社會的發(fā)展，我國的現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也越來越迅速。公司供水泵站是鋼鐵廠水源的供水設(shè)施，采用恒壓變頻供水。原水供水泵電機功率220kW，電壓等級690V，啟動方式為變頻啟動。根據(jù)供水管網(wǎng)壓力實現(xiàn)恒壓供水。供水泵電機采用變頻電機YPT355M1-4，轉(zhuǎn)速1489r/min。投產(chǎn)后電機前后軸承頻繁發(fā)生過熱現(xiàn)象，通過測溫，電機機身溫度在53℃，軸承溫度在75℃。電流給定正常，沒有波動現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題后，由于生產(chǎn)需要，只能添加軸流風(fēng)機對其進行散熱后，利用檢修期間，通過解體檢查，油脂正常，并未出現(xiàn)添加過量、缺失、融化或變質(zhì)現(xiàn)象，通過清洗軸承，發(fā)現(xiàn)前后軸承滾道內(nèi)有不同程度的魚鱗紋損傷，滾珠表面也有點蝕現(xiàn)象，此類故障頻發(fā)，對供水系統(tǒng)的正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。針對此類故障，組織技術(shù)人員對電機及軸承進行解體、研究、分析、總結(jié)，以便分析故障。并針對其故障現(xiàn)象研究處理方法，避免此類頻發(fā)故障，減少備件及維護成本，以便做到預(yù)判及提前處理，增加設(shè)備運行可靠性。

關(guān)鍵詞：變頻電機；軸承電蝕現(xiàn)象分析；處理方法

1 軸承故障現(xiàn)象分析

通過解體檢查，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用的普通的6224滾珠軸承外滑道上有明顯的魚鱗紋損傷，并且轉(zhuǎn)動軸承，滾珠與滾道摩擦力變大，檢查發(fā)現(xiàn)滾珠體表面也有點蝕的現(xiàn)象。通過拆解2臺電機4套軸承，都有同樣的現(xiàn)象，并且對油脂及加油量進行考量，未出現(xiàn)油脂添加過量、缺失、融化或變質(zhì)現(xiàn)象。通過現(xiàn)象分析，懷疑是有軸電流的產(chǎn)生，軸電流對軸承作用產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象。

2 原理分析

由于變頻電機的設(shè)計與普通電機設(shè)計是有區(qū)別的，對普通異步電動機來說，電磁設(shè)計，在設(shè)計時主要考慮電機的過載及過負(fù)荷能力、啟動效率和功率因數(shù)。而變頻電動機，由于臨界轉(zhuǎn)差率與電源頻率有關(guān)，反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時直接啟動，因此，過載能力和啟動效率不需要過多考慮，而需要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應(yīng)能力，也就是說要對磁路不平衡有解決措施。同理對應(yīng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)也應(yīng)該考慮到非正弦波電源對變頻電機的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，特別是消除軸電流的影響，電機軸電流的產(chǎn)生是因為在電機的軸、軸承、軸承套、端蓋和機座所組成的磁回路中，由于隨時間變化產(chǎn)生交變的磁通，在軸上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)電流流經(jīng)軸承時形成電蝕現(xiàn)象。軸電流的產(chǎn)生要有兩個條件：（1）產(chǎn)生交變的磁通，在軸上產(chǎn)出不平衡電動勢。（2）要有閉合回路，相當(dāng)于閉合的通道，有軸電流流經(jīng)的閉合回路。供水泵電機為變頻電機，變頻電機在投入運行后，電源為交變的非正弦波，極易產(chǎn)生磁路不對稱現(xiàn)象，只要構(gòu)成回路，就會產(chǎn)生軸電流，當(dāng)變頻器產(chǎn)生的高頻分量與產(chǎn)生的軸電流結(jié)合在一起產(chǎn)生疊加作用時，軸電流將大大增加，從而導(dǎo)致軸承滾珠與滑道損壞，產(chǎn)生電腐蝕現(xiàn)象，而軸承產(chǎn)生電腐蝕的明顯特征就是軸承外圈滑道磨出類似魚鱗狀的軸向階梯劃痕，軸承內(nèi)套及滾珠表面出現(xiàn)電灼傷產(chǎn)生點狀微孔，也就是電流通過轉(zhuǎn)子經(jīng)過軸承產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。此種現(xiàn)象加速軸承損壞，致使軸承發(fā)熱，甚至聲音異常、振動增大。

3 處理方法

通過分析，明確了軸承發(fā)熱的原因，針對其原因制定整改措施及應(yīng)對辦法。供水泵電機為變頻電機，軸承應(yīng)用的是普通6224軸承，變頻產(chǎn)生交變的磁通，極易產(chǎn)生磁路不對稱現(xiàn)象，普通軸承，可構(gòu)成電流回路，一般220kW的變頻電機都有防止軸電流的措施，一種方法是在電機的軸承部位采用絕緣軸承來阻斷軸電流的回路，使其不能閉合，形成不了通路，從而達到保護軸承的目的。另一種方法就是對大型電機兩端軸承采用碳刷接地，即在前軸承（負(fù)荷側(cè)）增加一對刷握和接地碳刷，接地碳刷接地必須直接接地，接地點必須牢固、可靠，使軸電流不經(jīng)過軸承直接流入接地點，避免在軸承上產(chǎn)生電腐蝕。對現(xiàn)場電機結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場分布，更換絕緣軸承，備件周期長，費用高，因其工期緊，所以準(zhǔn)備通過增加接地碳刷的方法來解決現(xiàn)場問題，我們在5#、6#變頻供水泵上各增加一對刷握和接地碳刷，即在電機前端（負(fù)荷側(cè)）增加一對刷握，將碳刷安裝在前軸上，碳刷接地引出線接于電機外殼也就是電機軸承外殼上，通過電機外殼直接與電機外殼本體直接接地點可靠連接，測量其接地電阻，接地電阻小于4Ω。通過增加接地碳刷來進行消除軸電流方法，進而對電機過熱進行了保護。電機投入運行，運行周期3個月，通過監(jiān)測供水泵電機前后軸承溫度，溫度有了明顯的降低，前后軸承維持在54℃以下穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)過電機軸承過熱現(xiàn)象。同時3個月后對電機軸承進行解體清洗檢查，未發(fā)現(xiàn)前期軸承內(nèi)套、滾珠及外圈滑道損壞的跡象，效果明顯。后期也將采用更換絕緣軸承的方法來隔斷其軸電流的流通回路，達到安全運行的效果。

4 電流損傷的解決措施

雖然有許多技術(shù)可以用來保護交流電機的軸承，但很少有方案可以同時滿足高效力、低成本、應(yīng)用范圍廣等要求。例如：法拉第屏蔽、絕緣結(jié)構(gòu)、陶瓷軸承、導(dǎo)電潤滑脂、接地碳刷等。這些技術(shù)都或多或少存在著成本高、易磨損、易污染等情況，因此很少被行業(yè)采用。本文根據(jù)上述對軸承電流對軸承電氣損傷的分析，提出了全新的解決方法。

4.1 絕緣軸承

軸承絕緣可以阻斷放電回路，軸電流無法通過軸承流向電機外殼和接地，從而保護軸承。但有時，由于陶瓷絕緣材料的電容效應(yīng)，高頻感應(yīng)電流會穿過絕緣層，并導(dǎo)致軸承失效。同時，如果電機連接了負(fù)載，軸電流可能通過負(fù)載的軸承放電，造成負(fù)載的軸承故障。除此以外，軸承絕緣或其他軸承隔離的方案實施起來成本也較高。

4.2 建立放電旁路

建立有效的放電旁路電路有時比軸承絕緣效果更好，因為比起阻斷軸電流回路，這個方案可以有效地將軸電流導(dǎo)走。這種理想的解決方案提供一個從電機軸到外殼/設(shè)備接地之間非常低阻抗的回路，這種方案實施起來成本較低，可為變頻驅(qū)動電機和交流電機提供最大程度的軸承保護，是性價比較高的方案。

4.3 安裝導(dǎo)電環(huán)

導(dǎo)電環(huán)的材質(zhì)要求機械強度大，360°全方位接觸軸承，并是電的良導(dǎo)體，還要具有耐腐蝕性，抗油污和粉塵，在與電刷滑動接觸時，必須具備耐磨性和穩(wěn)定的滑動接觸特性。一般來說，鋼質(zhì)集電環(huán)的耐磨性好，機械強度大。軸承導(dǎo)電環(huán)方案通過在一個金屬環(huán)上增加一圈超細(xì)耐磨的導(dǎo)電纖維，在電機軸和電機外殼/設(shè)備接地間建立一個阻抗低、可靠性高的放電旁路，可有效導(dǎo)走軸電流，保護電機軸承。這種方案通過使用電子傳輸技術(shù)，加快電子傳輸速率，極大地提高了高頻軸電流釋放的效率。通過無數(shù)個電流釋放回路，導(dǎo)電環(huán)將軸電流成功繞過軸承導(dǎo)向設(shè)備接地。導(dǎo)電環(huán)是一個低成本、免維護，免清洗、效率和可靠性高的解決方案，適用于所有變頻驅(qū)動的電機和交流電機。

5 結(jié)束語

軸承的故障類型很多，總結(jié)分析，通過現(xiàn)象看本質(zhì)，有效開拓了看問題的思路。軸承故障不能片面，要從機械角度、電機結(jié)構(gòu)原理全面進行分析、總結(jié)。

參考文獻

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