風(fēng)機(jī)類負(fù)載用高壓三相異步電動機(jī)稀油潤滑結(jié)構(gòu)的研究

佳木斯電機(jī)股份有限公司□歷 銳

風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動機(jī)主要用于拖動主通風(fēng)機(jī)負(fù)載，使用場所以煤礦為主，電機(jī)的工作條件惡劣，電動機(jī)軸承很容易損壞。軸承運(yùn)行時(shí)受力復(fù)雜，即受葉輪的徑向重力載荷和軸向推力載荷，還受到由于粉塵引起的葉輪不平衡力以及進(jìn)氣不均勻引起的交變載荷。為解決軸承故障問題，本文采用稀油潤滑滾動軸承結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行研究分析。該結(jié)構(gòu)加工工藝和裝配工藝合理可實(shí)現(xiàn)、密封系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。

1 稀油潤滑結(jié)構(gòu)的工作原理

該軸承結(jié)構(gòu)伸端為一個(gè)雙列球面滾子軸承22228_CC/W33，尾端軸承為一個(gè)雙列球面滾子軸承和兩個(gè)球面滾子推力軸承22224_CC/W33+2×29324_E。球面推力滾子軸承是一種自調(diào)心軸承，能承受軸與軸承座之間的不對中，例如由軸撓曲導(dǎo)致的不對中。后綴為E的軸承具有較大的滾子和優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計(jì)，以提高承載能力。

該軸承結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)在于球面滾子推力軸承和球面軸承的采用，球面滾子推力軸承和球面軸承可以使軸系在軸向浮動，解除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的多余約束，使結(jié)構(gòu)從靜不定結(jié)構(gòu)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)。

2 典型規(guī)格電動機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)分析

振動造成電機(jī)共振或疲勞的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)軸承結(jié)構(gòu)改變時(shí)會引起轉(zhuǎn)子軸系的變化，因此需要對電機(jī)轉(zhuǎn)子校核剛度以及固有頻率，避免共振危害。

（1）分析用基本數(shù)據(jù)

1）電機(jī)基本數(shù)據(jù)

電機(jī)型號：YBF 560-8 315kW（10kV）

轉(zhuǎn)子重量：G=1060kg

有效鐵心長度：L=59cm

風(fēng)道數(shù)量：10

轉(zhuǎn)子外徑：D=53.7cm

單邊氣隙：δ=0.15cm

單邊磁拉力：F0=1118kg

同步轉(zhuǎn)速：n=750r/min

2）計(jì)算所需材料的基本數(shù)據(jù)

見表1。

表1 材料的基本數(shù)據(jù)

（2）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有限元預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

在電動機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心慣性力的存在，將影響系統(tǒng)的剛度進(jìn)而影響轉(zhuǎn)子的共振頻率。進(jìn)行模態(tài)分析前需預(yù)先進(jìn)行整體轉(zhuǎn)子的應(yīng)力計(jì)算，由于分析的整體振動特性，在局部應(yīng)力集中處的應(yīng)力值的大小對整體振動特性影響可不計(jì)，影響因素是質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力的分布，因此在局部應(yīng)力集中處沒有加密網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分如圖1所示，在電機(jī)工作轉(zhuǎn)速下由離心慣性力產(chǎn)生的Von Mises應(yīng)力如圖2所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析網(wǎng)格模型

圖2 模態(tài)分析的Von Mises預(yù)應(yīng)力分布示意圖

按工程應(yīng)用慣例分析了前五價(jià)模態(tài)，模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果云圖如圖3～圖7所示，圖中給出了共振出現(xiàn)時(shí)的最大總變形量也就是空間各點(diǎn)的振幅的云圖和數(shù)值標(biāo)示以及共振出現(xiàn)的固有頻率值，圖中振動頻率單位為Hz（赫茲），變形單位為mm（毫米）。

有限元分析結(jié)果見圖3~圖7。

圖3 一階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

圖4 二階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

圖5 三階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

圖7 五階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

圖6 四階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

（3）有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果

電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)受離心載荷作用，離心慣性力的存在改變了系統(tǒng)的剛度，其固有頻率和振型與轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)時(shí)不同，模態(tài)分析時(shí)應(yīng)該在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行。見表2。

表2 各階模態(tài)振型計(jì)算結(jié)果

（4）結(jié)果分析

由圖3可知，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)一階共振時(shí)，對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速為n＝4394.88r/min，電動機(jī)轉(zhuǎn)子為軸向共振，振幅最大，對電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的破壞力最強(qiáng)。構(gòu)成電動機(jī)轉(zhuǎn)子的全部組件都出現(xiàn)了同相位共振，電動機(jī)整機(jī)的振動最為嚴(yán)重，整個(gè)機(jī)殼甚至機(jī)座都會發(fā)生強(qiáng)烈的振動，產(chǎn)生的噪聲也最為強(qiáng)烈，推力軸承最容易迅速發(fā)生疲勞斷裂，應(yīng)該加以規(guī)避，避免共振發(fā)生。

（5）典型規(guī)格電動機(jī)的滾動軸承疲勞壽命核算

1）電機(jī)基本數(shù)據(jù)

電機(jī)型號：YBF 560-10 355kW（10kV）

轉(zhuǎn)子重量：G=1060kg

有效鐵心長度：L=59cm

風(fēng)道數(shù)量：10

轉(zhuǎn)子外徑：D=53.7cm

單邊氣隙：δ=0.15cm

單邊磁拉力：F0=1118kg

同步轉(zhuǎn)速：n=750r/min

最高轉(zhuǎn)速：n=900r/min

伸端軸承：22228_CC/W33（固定端）

尾端軸承：29324_E+22224_CC/W33+29324_E

2）假定條件

①軸承計(jì)算按照額定轉(zhuǎn)速750rpm。

②潤滑油為32號汽輪機(jī)油。

③潤滑油溫度按照80攝氏度。

④潤滑油清潔度按照21/18。

⑤軸承軸向力為驅(qū)動端往非驅(qū)動端。

⑥軸承徑向力與重力方向一致。

3）滾動軸承疲勞壽命計(jì)算的依據(jù)

見圖8。

圖8 軸承的載荷-壽命曲線

圖8 是軸承的載荷-壽命曲線，它表示了載荷P與基本額定壽命L10之間的關(guān)系。此曲線用式（1）表示。

式中：P——當(dāng)量動載荷（N）

ε——壽命指數(shù)

對于球軸承，ε＝3；對于滾子軸承，ε＝10/3。

（6）結(jié)論

經(jīng)理論計(jì)算和軸承廠家的核算，該規(guī)格電動機(jī)在滿足10萬小時(shí)的要求可承受附加軸向力36kN、徑向力17kN，且在0.5倍最大軸向力和0.5倍最大徑向力的同時(shí)作用下，軸承壽命也可滿足要求。

3 結(jié)語

風(fēng)機(jī)用隔爆型高壓三相電動機(jī)主要用于拖動主通風(fēng)機(jī)設(shè)備，在煤礦、礦山等場所，礦用主通風(fēng)機(jī)是重要的通風(fēng)設(shè)備，其設(shè)備的可靠性要求非常高，關(guān)乎所有井下工作人員的生命安全，為此風(fēng)機(jī)用隔爆型高壓三相電動機(jī)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)將是非常重要的，其直接影響電動機(jī)制造企業(yè)的品牌效應(yīng)及競爭力。