一起由波形彈簧引起的電機(jī)故障原因分析

趙磊 查衛(wèi)華

摘? ?要：本文的研究對象是一臺冷卻水泵電機(jī)，在正常運行中突然跳閘停機(jī)，通過查閱電機(jī)維護(hù)工單、巡檢記錄，潤滑脂、軸承選型校核，徑向和軸向尺寸鏈測量，結(jié)合電機(jī)故障現(xiàn)象基本還原了電機(jī)故障起始及發(fā)展過程，最終確定了造成電機(jī)故障的原因，為同類型電機(jī)的維護(hù)提供了有價值的經(jīng)驗反饋，避免同類型故障的重復(fù)發(fā)生。

關(guān)鍵詞：電機(jī)? 軸承? 波形彈簧? 軸向載荷

中圖分類號：TM30? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0065-02

1? 電機(jī)相關(guān)參數(shù)及維護(hù)歷史

1.1 電機(jī)參數(shù)

故障電機(jī)型號為HY280M-2，功率90kW，轉(zhuǎn)速2978r/min，電源頻率50Hz，三角形接法，防護(hù)等級IP55，額定電壓：380V，額電流：161A，功率因數(shù)：0.89，工作制：S1（連續(xù)工作制），絕緣等級：F，電機(jī)整機(jī)重量：612kg，兩端軸承型號6314/C3。

1.2 故障前設(shè)備狀態(tài)

電機(jī)故障前一直保持正常運行，定期巡檢中軸承溫度一直保持在75℃報警標(biāo)準(zhǔn)以下，機(jī)體溫度最高時62℃，同樣也遠(yuǎn)低于F絕緣等級電機(jī)的繞組溫度限值。

最后一次檢修于2019年8月執(zhí)行預(yù)防性解體大修，調(diào)查檢修過程，電氣參數(shù)正常，端蓋尺寸配合復(fù)合操作程序要求，修后實驗電機(jī)運行電流、振動水平合格。

2? 電機(jī)故障現(xiàn)象

2019年11月8日晚電機(jī)在運行中突然跳閘。電機(jī)外觀檢查，非驅(qū)動端無異常，驅(qū)動端端蓋高溫，油漆發(fā)黑，外軸承蓋高溫發(fā)白，電機(jī)轉(zhuǎn)子卡死。

解體大修，電機(jī)掃膛，定子鐵芯驅(qū)動端槽口位置鐵芯磨損，定子繞組接地。轉(zhuǎn)子鐵芯驅(qū)動端位置磨損，三根籠條疑似斷裂，驅(qū)動端軸頸與外軸承蓋配合位置磨損嚴(yán)重。軸承散架，保持架斷裂卡死在滾道中，內(nèi)圈嚴(yán)重磨損，波形彈簧被壓平。

3? 故障發(fā)展過程

通過電機(jī)外觀及解體檢查的現(xiàn)象推斷，故障的起點在驅(qū)動端軸承位置，由于某種原因造成了軸承運行過程中阻力增大，打破軸承熱平衡，軸承溫度逐漸升高，高溫造成潤滑脂過度分油，基礎(chǔ)油逐漸流失，性能下降、失效。軸承失去潤滑后溫度進(jìn)一步升高，軸承保持架不能正常引導(dǎo)滾動體，同時在高溫下保持架開始軟化變形，被滾動體碾壓斷裂軸承卡死，轉(zhuǎn)子失去徑向定位，部件與轉(zhuǎn)子發(fā)生接觸。在高溫狀態(tài)下軸承內(nèi)圈與軸配合過盈量減小，甚至達(dá)到間隙配合的程度，摩擦力急劇減小，軸在軸承內(nèi)圈中發(fā)生轉(zhuǎn)動，雖然此時電機(jī)負(fù)載有所增加但是仍未達(dá)到熱繼電器動作閾值，轉(zhuǎn)子仍在旋轉(zhuǎn)，軸頸與軸承室外蓋接觸磨損，電機(jī)氣隙消失，定轉(zhuǎn)子發(fā)生掃膛，最終傷及繞組，觸發(fā)漏電保護(hù)開關(guān)跳閘。

4? 根本原因分析

4.1 故障過程假設(shè)

根據(jù)現(xiàn)有的現(xiàn)象，將軸承損壞作為電機(jī)最終故障損壞的故障起因是合理且符合邏輯的，但是造成軸承故障的前置原因尚無法作出準(zhǔn)確判斷，作如下幾種可能的假設(shè)并逐一進(jìn)行驗證。

第一，軸承因為本身承載能力不達(dá)標(biāo)而出現(xiàn)提前失效;

第二，潤滑脂性能不能滿足電機(jī)運行工況的要求，不能為軸承提供足夠的潤滑，最終造成軸承潤滑不良而失效;

第三，電機(jī)因部件尺寸鏈不合理，造成軸承存在不當(dāng)載荷而提前失效。

4.2 軸承選型核算

電機(jī)兩端使用的軸承都是SKF6314/C3型軸承，按照軸承壽命簡化計算公式[1]：

電機(jī)預(yù)防性解體周期1.5年，以此為預(yù)期壽命反向計算軸承的承載能力，SKF6314/C3 型軸承可以支撐的轉(zhuǎn)子重量為812kg，而該電機(jī)整機(jī)重量為612kg，軸承的承載能力滿足設(shè)備運行要求。

4.3 潤滑脂性能核算

該電機(jī)使用的潤滑脂是美孚2號通用鋰基脂。2號通用鋰基脂的運行溫度范圍從-20℃～120℃，近似粘度為70mm2/s。根據(jù)軸承型號、電機(jī)轉(zhuǎn)速、運行溫度核算得到的額定運行粘度為22mm2/s，潤滑脂的承載性能完全能夠滿足電機(jī)的運行要求，同時根據(jù)潤滑脂運行溫度指示[2]，軸承實際運行溫度也在潤滑脂最佳性能區(qū)間內(nèi)，而且軸承在2019年8月的電機(jī)預(yù)防性解體大修期間更換了全新的潤滑脂，軸承可以保證充分的潤滑。

4.4 部件配合尺寸校驗

根據(jù)電機(jī)預(yù)防性解體大修的測量數(shù)據(jù)，電機(jī)兩端軸承徑向配合尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

電機(jī)軸向配合尺寸經(jīng)過測繪，電機(jī)非驅(qū)動端軸承室寬度35.3mm為定位端，驅(qū)動端軸承室寬度36.68mm為浮動端，軸承寬度35mm，非驅(qū)動端為定位端，驅(qū)動端為自由端。C3系列軸承徑向游隙的范圍為0.025～0.051mm，據(jù)徑向游隙標(biāo)準(zhǔn)查表（表1）計算所得軸向游隙標(biāo)準(zhǔn)為0.35～0.42mm。

根據(jù)轉(zhuǎn)子熱膨脹量公式[1]：

核算得到轉(zhuǎn)子在運行中軸向膨脹量為0.65mm，根據(jù)端蓋測繪數(shù)據(jù)，電機(jī)浮動端間隙1.68mm。軸承軸向游隙取最大0.42mm時，整個轉(zhuǎn)子軸向自由膨脹量最大為2.1mm。軸向游隙取最小0.35mm時，轉(zhuǎn)子軸向自由膨脹量最小為2.03mm。

波形彈簧型號D150，自由高度4.6mm，金屬厚度0.9mm，波數(shù)6，實驗高度3mm時最大彈力700N，最小彈力500N，按照轉(zhuǎn)子正常運行時0.65mm的熱軸向熱膨脹量，波形彈簧實際的工作高度在1.45mm到1.38mm之間。

根據(jù)波形彈簧的性能曲線（圖1），隨著工作高度減小波形彈簧產(chǎn)生的軸向推力是線性增加的，當(dāng)波形彈簧工作高度接近金屬厚度0.9mm時，軸承承受的軸向力將脫離線性急劇增加。

電機(jī)運行中隨著轉(zhuǎn)子溫度升金屬受熱膨脹，軸承的軸向游隙逐步消失，然后推動軸承在軸承室內(nèi)移動，波形彈簧被進(jìn)一步壓縮，按照性能曲線，其理論工作高度范圍為1.38～1.45mm，對應(yīng)彈力1484～1557N，如果考慮到轉(zhuǎn)子長度的加工余量，波形彈簧的工作高度實際還將有一定程度縮小，假設(shè)兩端軸承檔間距按照增加0.3mm來計算，波形彈簧工作高度范圍為1.08～1.15mm，對應(yīng)彈力為1897～2049N之間。當(dāng)波形彈簧高度為0.925mm，軸向載荷為35.4kN，6314軸承軸向載荷要求小于34kN[2]。

電機(jī)用D150型波形彈簧實驗高度3mm，位于性能曲線線性區(qū)域的中部，但是根據(jù)尺寸校驗，故障電機(jī)波形彈簧的工作區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入非線性區(qū)域且接近壓平，造成軸承在運行中承受過大的軸向載荷而提前失效。電機(jī)解體中被壓平的波形彈簧（見圖2）也可證明上述判斷。

5? 結(jié)語

由于電機(jī)穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)子熱膨脹使波形彈簧工作高度進(jìn)入非線性區(qū)域，造成深溝球軸承承受過大的軸向載荷，最終提前失效。

波形彈簧的性能曲線分為線性區(qū)和非線性區(qū)，線性區(qū)內(nèi)波形彈簧的彈力與工作高度成比例變化，但是當(dāng)工作高度進(jìn)入非線性區(qū)時，隨著工作高度的縮小，彈力會脫離原比例迅速增加。實際檢修中需要控制電機(jī)軸向間隙，讓波形彈簧工作在線性區(qū)，保證在工況變化時波形彈簧與軸承達(dá)到動態(tài)吻合，既能為軸承提供合適的預(yù)負(fù)荷同時又不至于進(jìn)入非線性區(qū)域，讓軸承承受過大的軸向載荷，對軸承壽命產(chǎn)生不利影響。

參考文獻(xiàn)

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