中小型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸彎曲處理方案

樂勇豪

(鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司，浙江寧波 315207)

0 引言

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的核心部件之一，主要由轉(zhuǎn)子繞組(包括鼠籠條等)、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸三大部分組成。其中轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子鐵心的作用為增強(qiáng)磁路電磁力。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的作用是傳遞轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸一般由中碳鋼或合金鋼通過熱處理后加工而成。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸彎曲一般在軸伸端和風(fēng)葉端，軸伸(軸頭)端一般為負(fù)荷端，故障率最高，軸頭最容易彎曲。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外形圖見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子外形圖

1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸彎曲的危害

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，如果發(fā)生轉(zhuǎn)軸彎曲，就會(huì)使電動(dòng)機(jī)振動(dòng)增大，引起的后果：使聯(lián)軸器損壞；使軸承磨損加劇，甚至引起軸承故障；使電機(jī)繞組松動(dòng)，繞組絕緣壽命降低，甚至造成繞組絕緣擊穿；使電機(jī)附件振壞。

轉(zhuǎn)軸彎曲嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子鐵心相互摩擦(掃膛)，嚴(yán)重時(shí)造成線圈燒毀。發(fā)生轉(zhuǎn)軸彎曲，還會(huì)使軸承跑外套，端蓋磨損，嚴(yán)重時(shí)造成端蓋開裂報(bào)廢。電動(dòng)機(jī)日常運(yùn)行中轉(zhuǎn)軸彎曲危害重大，如何處理好電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸彎曲這一故障，是保證電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵因數(shù)。以某石化廠為例，平均每年都會(huì)在電動(dòng)機(jī)檢修過程中發(fā)現(xiàn)幾十例轉(zhuǎn)軸彎曲的故障事例，小至0.25 kW的加藥泵、計(jì)量泵電機(jī)，大到500 kW、600 kW的高壓電機(jī)，其中軸頭單側(cè)受徑向力嚴(yán)重的空冷電機(jī)，長(zhǎng)期機(jī)械疲勞損傷(插入式聯(lián)接、泵與電機(jī)為同軸)的電機(jī)最為常見。2019年7月，某石化廠常減壓裝置P118A(280 kW 6 000 V)高壓電機(jī)在運(yùn)行中垂直振動(dòng)從2.8 mm/s增大到4.0 mm/s，觀察半天后又增大到7.1 mm/s，立即停機(jī)檢修，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷端軸頭跳動(dòng)達(dá)0.15 mm且前軸承檔磨損嚴(yán)重。原因分析為電機(jī)長(zhǎng)周期滿負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)械疲勞損傷所致。隨后對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸彎曲進(jìn)行校正處理，處理后電機(jī)投入運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)正常，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)≤2.2 mm/s。

2 原因分析

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸彎曲原因有多種，有設(shè)計(jì)制造、加工精度方面的原因。如檢查發(fā)現(xiàn)2019年5月國(guó)內(nèi)某廠剛出品的一臺(tái)中心高450 mm三相異步電機(jī)負(fù)荷端軸頭跳動(dòng)達(dá)0.11 mm，出廠時(shí)軸頭跳動(dòng)就已超標(biāo)。有使用方面的原因：電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行，長(zhǎng)期振動(dòng)超標(biāo)運(yùn)行，長(zhǎng)期軸頭單側(cè)受徑向力嚴(yán)重(皮帶聯(lián)接)，長(zhǎng)期機(jī)械疲勞損傷(插入式聯(lián)接、泵與電機(jī)為同軸)。也有檢修裝配、日常維護(hù)不當(dāng)?shù)脑颍貉b配不當(dāng)、裝配不到位、軸承維護(hù)不當(dāng)。上述這些原因都會(huì)引起轉(zhuǎn)軸彎曲。

排除廠家設(shè)計(jì)制造和加工精度的原因。在日常工作中如何發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸彎曲，進(jìn)行修復(fù)處理，防止因轉(zhuǎn)軸彎曲造成電動(dòng)機(jī)故障，主要有以下三個(gè)措施：

(1) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，關(guān)注振動(dòng)是否變大、聲音是否有異常。如振動(dòng)變大超標(biāo)、聲音異常，就要停機(jī)檢查，其中軸頭跳動(dòng)也是重點(diǎn)檢查項(xiàng)之一。

(2) 電機(jī)檢修前、檢修中對(duì)軸頭進(jìn)行徑向跳動(dòng)測(cè)量，是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 如軸頭跳動(dòng)超過標(biāo)準(zhǔn)，須制定修復(fù)方案(視彎曲量制定不同方案)。

電動(dòng)機(jī)軸頭跳動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10391—2002《Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)》中軸伸長(zhǎng)度一半處的徑向圓跳動(dòng)公差應(yīng)符合下表的規(guī)定，徑向圓跳動(dòng)公差表見表1。

表1 徑向圓跳動(dòng)公差表 單位：mm

3 90 kW以上電動(dòng)機(jī)幾種常見的轉(zhuǎn)軸彎曲處理方案

(1) 熱校正法。此法一般適合校正軸頭彎曲量較小、軸徑較細(xì)(跳動(dòng)<0.10 mm、軸徑<φ80 mm)的轉(zhuǎn)軸。具體操作步驟為：在車床或磨床上通過百分表打表找到軸頭彎曲的部位，彎頭向上(軸頭彎曲部分朝上)，用氣焊或丁烷噴燈在彎曲部位均勻加熱，同時(shí)用百分表監(jiān)測(cè)軸頭彎曲尺寸；隨著溫度的上升，軸膨脹，等加熱到一定溫度(不超過500 ℃)時(shí)，軸頭彎曲量變小，此時(shí)停止加熱，并用濕布快速覆蓋纏繞到轉(zhuǎn)軸加熱部位，再用干冰制成的冰袋迅速覆蓋到濕布上給轉(zhuǎn)軸加熱部位快速降溫、塑形。一次未能校直，可多次重復(fù)進(jìn)行。需要注意的是加熱溫度要控制好，不能超過500 ℃。

(2) 噴涂、機(jī)械加工校正法。此法一般適合校正軸頭彎曲量較大(跳動(dòng)<1.0 mm)的轉(zhuǎn)軸。具體操作步驟為：在車床上找到彎曲的部位，在轉(zhuǎn)軸開始彎曲的部位整體對(duì)彎曲部分進(jìn)行噴涂或激光熔覆，厚度一般要超過彎曲量的2.5倍。噴涂或激光熔覆完成后再對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行車床、磨床的精加工，使轉(zhuǎn)軸的軸頭跳動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)平衡檢驗(yàn)合格。

(3) 接軸校正法。此法適用于電機(jī)非負(fù)荷端轉(zhuǎn)軸彎曲，適合校正轉(zhuǎn)軸彎曲量非常大(跳動(dòng)<30 mm)的轉(zhuǎn)軸。具體操作步驟為：在車床上找到彎曲的部位，把轉(zhuǎn)軸開始彎曲的部位鋸掉，在留下的軸斷面上鉆一個(gè)凹型階梯孔。

重新找一根毛胚軸(比鋸掉的那段軸略長(zhǎng)略粗)，把毛胚軸的一端加工成凸型階梯狀。

凸型階梯與凹型階梯為過盈配合，過盈量不大于0.05 mm。把凹型階梯斷軸進(jìn)行加熱，熱套在凸型階梯軸上。凹、凸型階梯軸配合圖見圖2。

圖2 凹、凸型階梯軸配合圖

再對(duì)結(jié)合面進(jìn)行焊接處理。在焊接前，把整根轉(zhuǎn)軸用烘箱預(yù)熱到200 ℃左右，再進(jìn)行焊接，焊接完以后，用防火布將整根轉(zhuǎn)軸包裹嚴(yán)實(shí)，防止它冷卻過快，直至轉(zhuǎn)軸自然冷卻到常溫，經(jīng)著色、探傷合格后，初步接軸完成。下一步，再對(duì)接上去的毛胚軸那段進(jìn)行車床、磨床的精加工，對(duì)整根軸進(jìn)行尺寸復(fù)核，使轉(zhuǎn)軸的軸頭跳動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)平衡檢驗(yàn)合格。2019年2月，某化工廠油品車間B364(560 kW 6 000 V)一臺(tái)高壓電機(jī)后風(fēng)葉端軸承故障。經(jīng)查電機(jī)從風(fēng)葉端軸承檔開始彎曲，軸頭跳動(dòng)達(dá)到25 mm，用接軸法進(jìn)行處理，修復(fù)后的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)良好。接軸實(shí)例圖見圖3～圖5。

圖3 凹、凸型階梯軸配合實(shí)例圖

圖4 轉(zhuǎn)軸結(jié)合面焊接實(shí)例圖

圖5 接軸部分精加工實(shí)例圖

(4)更換轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸嚴(yán)重彎曲、開裂、磨損情況下需更換轉(zhuǎn)軸。具體操作步驟為把故障轉(zhuǎn)軸用油壓機(jī)從轉(zhuǎn)子鐵心中壓出并測(cè)繪好尺寸，新軸按尺寸加工好后壓入轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，再連同轉(zhuǎn)子一起上機(jī)床精加工。對(duì)整根軸進(jìn)行尺寸復(fù)核，軸頭跳動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)平衡檢驗(yàn)合格。2019年3月份，某化工廠常減壓裝置P103A電機(jī)負(fù)荷端軸承故障。經(jīng)查，電機(jī)從前軸承檔開始彎曲，軸頭跳動(dòng)達(dá)到15 mm，更換轉(zhuǎn)軸并加工后電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)良好。一般高壓電機(jī)更換轉(zhuǎn)軸后，為檢驗(yàn)電機(jī)運(yùn)行工況及軸功率，需做對(duì)拖型式試驗(yàn)。對(duì)拖型式試驗(yàn)實(shí)例圖見圖6。

圖6 對(duì)拖型式試驗(yàn)實(shí)例圖

以上四種為常見的轉(zhuǎn)軸彎曲處理方案。第一種熱校正法，校正量微小，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)要求較高，溫度的掌握尤為重要。第二種噴涂、機(jī)械加工校正法最為常用，其加工處理時(shí)間短，軸功率保持不變，處理成本也較低，但校正量不大。第三種接軸校正法，適用于非負(fù)荷端，加工時(shí)間較長(zhǎng)，軸功率會(huì)有下降，但對(duì)于故障大的轉(zhuǎn)軸，處理成本相對(duì)較低。第四種更換轉(zhuǎn)軸法，處理成本較大，加工處理時(shí)間較長(zhǎng)，適用于故障大的轉(zhuǎn)軸處理，其中高壓電機(jī)必須做對(duì)拖型式試驗(yàn)。

4 結(jié)論

在日常電動(dòng)機(jī)運(yùn)行或檢修中，要重視轉(zhuǎn)軸彎曲，要加強(qiáng)轉(zhuǎn)軸彎曲的檢查，有效避免設(shè)備事故的發(fā)生，讓轉(zhuǎn)軸彎曲、軸頭跳動(dòng)超標(biāo)得到及時(shí)修復(fù)。在滿足檢修時(shí)間、質(zhì)量、費(fèi)用的情況下，選擇好合適的修復(fù)方案，轉(zhuǎn)軸處理后基本不會(huì)影響原電機(jī)的使用性能。近兩年，在某石化廠，我們通過不同的修復(fù)方法成功處理了60余臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸彎曲故障，保證了裝置電動(dòng)機(jī)能及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性。