蔣嚴(yán)軍

（中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司 上海 200233）

安全殼空氣冷卻機(jī)組電機(jī)故障分析

蔣嚴(yán)軍

（中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司 上海 200233）

恰?，敽穗娬径冢–2項(xiàng)目）安全殼空氣冷卻機(jī)組，在項(xiàng)目調(diào)試階段的連續(xù)燒毀，暴露出該機(jī)組風(fēng)機(jī)存在的問(wèn)題是共性的。在此基礎(chǔ)上，分析風(fēng)機(jī)存在問(wèn)題的原因，為后續(xù)及同類(lèi)產(chǎn)品提供借鑒和參考。

安全殼空氣冷卻系統(tǒng)；單列深溝球軸承；單列角接觸球軸承；風(fēng)機(jī)；電機(jī)；熱膨脹

1 事故簡(jiǎn)述及分析

安全殼空氣冷卻系統(tǒng)（VCC）是為排除反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)設(shè)備散熱而設(shè)置的循環(huán)冷卻系統(tǒng)。安全殼空氣冷卻系統(tǒng)有6×25%容量的循環(huán)冷風(fēng)機(jī)組，反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間，該系統(tǒng)4臺(tái)設(shè)備投入運(yùn)行，2臺(tái)備用。

安全殼空氣冷卻系統(tǒng)，雖然只是核電廠正常運(yùn)行的一個(gè)輔助系統(tǒng)，但也是核電廠正常運(yùn)行必不可缺的一部分,對(duì)于核電廠的安全更是重要的保證。

但是，在恰?，敽穗娬径冢–2）項(xiàng)目的調(diào)試階段，在半年的時(shí)間內(nèi)，該系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)卻接二連三地?zé)龤В瑢?dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常調(diào)試運(yùn)行。令人不得不對(duì)此系統(tǒng)設(shè)備的質(zhì)量和運(yùn)行維護(hù)管理進(jìn)行慎重思考。

2010年3月10日，進(jìn)行VCC系統(tǒng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，VCC各臺(tái)冷卻機(jī)組在風(fēng)機(jī)與閥門(mén)聯(lián)鎖運(yùn)行后，電源開(kāi)關(guān)熱繼電器頻繁動(dòng)作，工作電流超過(guò)額定電流，而且開(kāi)關(guān)柜內(nèi)有異音。

2010年3月17日，VCC003RU電機(jī)出現(xiàn)異響，隨后跳閘。拆檢發(fā)現(xiàn)，軸承已經(jīng)燒熔，電機(jī)燒毀。初步排查是由于軸承油脂的缺失，最終導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

2010年6月13日，對(duì)VCC004RU檢查發(fā)現(xiàn)，絕緣為0，電機(jī)短路，軸承燒熔，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子掃膛，同VCC003RU的情況一樣。

廠家根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋情況認(rèn)為，電機(jī)的安裝存在錯(cuò)誤（即安裝時(shí)電機(jī)的軸承方向裝反了），6313軸承本應(yīng)該裝在電機(jī)上端，現(xiàn)在裝在了下端。在重力作用下，產(chǎn)生摩擦，造成了電機(jī)軸承的燒毀。但后來(lái)的情況，完全偏離了這種解釋。

2010年8月19日，在廠家的指導(dǎo)下，更換了電機(jī)和進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)檢查的VCC004RU風(fēng)機(jī)，運(yùn)行10 d后，又出現(xiàn)了上述問(wèn)題；10月23日VCC001RU風(fēng)機(jī)、10月25日VCC006RU風(fēng)機(jī)在間斷運(yùn)行的狀態(tài)下陸續(xù)燒毀（見(jiàn)圖1至圖3）；10月26日VCC002RU風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異常，拆解發(fā)現(xiàn)，該電機(jī)的6313軸承的潤(rùn)滑油已經(jīng)沒(méi)有了，只是還沒(méi)有到電機(jī)燒毀的程度。

吸取了上述教訓(xùn)，2011年1月7日，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)尚未出現(xiàn)異常、但對(duì)運(yùn)行時(shí)間不久的VCC003/005RU進(jìn)行檢查，電機(jī)端6313軸承的潤(rùn)滑油已經(jīng)變色；2月5日，對(duì)剛剛更換新電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行了18 d的VCC002/004RU風(fēng)機(jī)進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)，油脂變色、油脂減少，軸承溫度已經(jīng)達(dá)到規(guī)范要求的上限，VCC001/005RU暫時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯變化；3月6日，再次對(duì)保養(yǎng)后連續(xù)運(yùn)行29 d的VCC003/004/006RU風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查，軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂變色，且所剩無(wú)幾。

同樣問(wèn)題的連續(xù)出現(xiàn)，暴露出風(fēng)機(jī)電機(jī)燒毀的原因是共性的問(wèn)題，而不是個(gè)案，更不可能是維護(hù)運(yùn)行不當(dāng)造成的，而是風(fēng)機(jī)的質(zhì)量和設(shè)計(jì)方面存在問(wèn)題。

該型號(hào)電機(jī)（Y225S-4N）是應(yīng)用非常廣泛的成熟產(chǎn)品，按道理絕不該出現(xiàn)此類(lèi)事故。問(wèn)題究竟出在哪里？只有結(jié)合現(xiàn)象和風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)來(lái)分析。

現(xiàn)場(chǎng)燒毀的電機(jī)上普遍存在幾個(gè)共同特點(diǎn)（損毀電機(jī)見(jiàn)圖1至圖3）：

1）燒熔的軸承均為單列深溝球軸承（軸承型號(hào)：6313，簡(jiǎn)稱(chēng)6313）。

2）與6313軸承配合的軸承端蓋上有明顯劃痕，且6313軸承內(nèi)圈磨損嚴(yán)重，局部已經(jīng)磨成楔形。說(shuō)明軸承內(nèi)圈與軸承端蓋相碰；電機(jī)外的油漆嚴(yán)重變色則是承受高溫的結(jié)果。

3）單列角接觸球軸承（軸承型號(hào)：7313，簡(jiǎn)稱(chēng)7313）軸承沒(méi)有燒毀，且油脂均未缺失。

VCC空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)布置(見(jiàn)圖4)是3臺(tái)空調(diào)風(fēng)機(jī)并聯(lián)的向下的送風(fēng)系統(tǒng)。VCC風(fēng)機(jī)是一個(gè)垂直安裝向下送風(fēng)的軸流風(fēng)機(jī)，由進(jìn)氣環(huán)、機(jī)殼、整流導(dǎo)葉環(huán)、葉輪（上下兩組）、電機(jī)（37 kW）等部分組成（見(jiàn)圖5至圖7）。

從風(fēng)機(jī)裝配圖（見(jiàn)圖5）中可以看到，正常情況下，6313軸承處于上部，而7313軸承的安裝位置在電機(jī)的下部，承受著電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)的葉輪重力。理論上，6313軸承不受力，處于自由狀態(tài)，可以沿著軸向做上下的小范圍地移動(dòng)，不存在摩擦和熱產(chǎn)生。

由現(xiàn)象及經(jīng)驗(yàn)判斷，造成風(fēng)機(jī)事故的主要原因：

1）廠家設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到設(shè)備的具體使用情況，對(duì)于風(fēng)機(jī)的升力和葉輪的重力沒(méi)有經(jīng)過(guò)計(jì)算，錯(cuò)誤地以為此電機(jī)為一個(gè)單向受力的形式。憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不嚴(yán)謹(jǐn)。

實(shí)際是：作用在電機(jī)軸承（主要是7313軸承）的力由兩部分組成（見(jiàn)圖6），一個(gè)是風(fēng)機(jī)葉輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子及附件組成的重力G；另一個(gè)就是風(fēng)機(jī)送風(fēng)受到的軸向向上的作用力F升。重力G是個(gè)恒定的數(shù)，但是F升則是個(gè)變化的值，引起變化的因素很多，主要會(huì)隨著電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。

根據(jù)力學(xué)第一定律，作用力與反作用力相等。因此，電動(dòng)機(jī)受到的向上的作用力F升，等于風(fēng)機(jī)的送風(fēng)能力，即粗略可以認(rèn)為：風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全壓在風(fēng)機(jī)截面上的力。

軸向作用力F升＝靜壓×作用面積

計(jì)算時(shí)將兩級(jí)風(fēng)機(jī)視為一個(gè)整體，兩級(jí)風(fēng)機(jī)的總靜壓可看做單個(gè)軸流通風(fēng)機(jī)的“代數(shù)和”；Ⅰ級(jí)風(fēng)機(jī)靜壓為：1 000 Pa，Ⅱ級(jí)風(fēng)機(jī)靜壓為：1 300 Pa，方向均指向進(jìn)風(fēng)口。

作用面積＝回轉(zhuǎn)葉片環(huán)面積+輪轂面積= π/4×(1.003）2。

軸向作用力F升：（1 000+1 300）×π/4× (1.003）2。

通過(guò)查閱廠家出廠資料（見(jiàn)圖8）獲得的風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，額定工況下的7313軸承的受力計(jì)算如下：

軸承所受到的重力為：

可見(jiàn)，F(xiàn)升

說(shuō)明：理想狀態(tài)下，正常工作的風(fēng)機(jī)的葉輪軸，不存在軸在升力作用下向上的位移。設(shè)計(jì)上6313軸承不受力。

(3)通過(guò)對(duì)所出露的地下管線調(diào)查記錄。例如運(yùn)用測(cè)繪和繪圖的方法，對(duì)地下管線現(xiàn)情況加以標(biāo)示，在明確各類(lèi)地下管線位置的基礎(chǔ)上，詳細(xì)核查地下附屬設(shè)施，并測(cè)量附屬物的屬性。

但是，還有一個(gè)事實(shí)，就是風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，瞬間工作狀況不是這樣簡(jiǎn)單。啟動(dòng)電流是正常的5～7倍，因此，啟動(dòng)時(shí)的F升是很大的，F(xiàn)升≥G，并會(huì)造成軸的向上竄動(dòng)。從而產(chǎn)生瞬間或短時(shí)間的軸承間的摩擦，一般不會(huì)造成嚴(yán)重影響，可以忽略不計(jì)。

2）6313軸承與端蓋的間隙過(guò)小。軸向上些許的竄動(dòng)，都會(huì)造成軸承與端蓋的摩擦。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，燒毀電機(jī)的軸承間隙為0.2～0.3 mm。相較于C1的電機(jī)軸承間隙為0.9 mm。明顯偏小，更沒(méi)有考慮電機(jī)軸的膨脹。

將所有新到貨的電機(jī)的軸承與端蓋的間隙，由原來(lái)的0.2 mm加大到0.6～0.8 mm，進(jìn)行驗(yàn)證。

2011年1月7日，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于連續(xù)運(yùn)行了一周時(shí)間的電機(jī)解體（解體2臺(tái)），證實(shí)了這個(gè)猜測(cè)：VCC002FN的電機(jī)一切正常，而VCC004FN的軸承溫度很高，潤(rùn)滑油已存在些許變色，測(cè)量軸承間隙為0.7 mm。說(shuō)明正常情況下，電機(jī)軸向也會(huì)有熱膨脹（由原來(lái)間隙1.0 mm降至0.7 mm，膨脹量為0.3 mm）?？梢?jiàn)，電機(jī)軸的膨脹量已經(jīng)超過(guò)了預(yù)留的間隙，間隙過(guò)小的電機(jī)燒毀在情理之中。

對(duì)于電流的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示，電機(jī)的運(yùn)行電流呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。正常情況的電流應(yīng)該是一個(gè)穩(wěn)定的小范圍內(nèi)的變化。經(jīng)過(guò)了10 d左右，電機(jī)的電流才穩(wěn)定下來(lái)（在額定電流之下）。

另外，從C1的長(zhǎng)期運(yùn)行情況來(lái)看，該電機(jī)也存在陸續(xù)燒毀的情況，現(xiàn)象與此相同，只不過(guò)運(yùn)行的時(shí)間稍長(zhǎng)些，由10多天延長(zhǎng)至2～3 a。

可見(jiàn)壽命上，該電機(jī)不能滿足《安全殼外1E級(jí)電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》的相關(guān)規(guī)定。調(diào)整間隙可以緩解問(wèn)題出現(xiàn)，并非是徹底解決措施。

2011年1月7日，VCC004FN的檢修情況都證明了這一點(diǎn)：測(cè)量軸承間隙由1.0 mm降為0.7 mm。軸承間隙在散熱不良的情況下，電機(jī)軸在熱的作用下，產(chǎn)生膨脹，從而使得軸承間隙減小了。

2011年2月5日，連續(xù)運(yùn)行13 d（累計(jì)運(yùn)行18 d）后的電機(jī)，檢查發(fā)現(xiàn)：VCC002/004電機(jī)軸承的潤(rùn)滑脂已經(jīng)發(fā)黑，且存在減少情況（見(jiàn)圖9、圖10）。另外對(duì)軸承溫度的測(cè)量，VCC002的溫度為75.5 ℃；VCC004的溫度為79.5 ℃。這是停機(jī)半小時(shí)后的測(cè)量結(jié)果，考慮到這段時(shí)間的自然降溫，可以判斷，正常電機(jī)的軸承溫升已經(jīng)超過(guò)80 ℃，這是國(guó)標(biāo)規(guī)定的一般電機(jī)的軸承溫升上限。這都是散熱不良造成的，再運(yùn)行下去，出現(xiàn)燒毀電機(jī)的情況是必然的。

4）裝配質(zhì)量。在對(duì)損壞的電機(jī)解體過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：廠家并未按照裝配圖進(jìn)行裝配，錯(cuò)誤地將6313軸承端蓋間的墊片（見(jiàn)圖7）安裝在了7313軸承的位置，與設(shè)計(jì)圖紙不符；從而直接導(dǎo)致6313軸承與端蓋間隙地變小；進(jìn)而出現(xiàn)上述現(xiàn)象，裝配質(zhì)量確實(shí)存在問(wèn)題。

5）軸承的質(zhì)量。若7313軸承的水平度不理想，或是長(zhǎng)期疲勞運(yùn)行造成平面度損傷，勢(shì)必造成電機(jī)上部6313軸承的竄動(dòng)和軸的擺動(dòng)；或是6313軸承的滾珠存在圓度差距，都將帶來(lái)此類(lèi)嚴(yán)重問(wèn)題。勢(shì)必造成電機(jī)軸跳度增大，從而造成軸承的摩擦。這只能是個(gè)例，不會(huì)一批出現(xiàn)。

6）軸承選型不合理。下部為7313軸承，上部為6313深溝軸承，軸向向下的推力由7313軸承來(lái)承擔(dān)；使電機(jī)軸的另一端（6313側(cè)）為自由端。6313軸承一側(cè)根本無(wú)法承受軸向的向上推力和竄動(dòng)。若都選用7313軸承，則電機(jī)軸兩端均被固定，即使存在些許的竄動(dòng)，也會(huì)被消除。

7）風(fēng)機(jī)的振動(dòng)。風(fēng)機(jī)的振動(dòng)以及系統(tǒng)的共振，會(huì)引起電機(jī)軸的竄動(dòng)，從而導(dǎo)致6313軸承與端蓋發(fā)生摩擦。

8）風(fēng)機(jī)的動(dòng)平衡試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)要求是否合理，是否在立式動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行的測(cè)試，廠家報(bào)告中沒(méi)有。動(dòng)平衡不滿足，也會(huì)造成電機(jī)軸的跳動(dòng)，產(chǎn)生軸承磨損和摩擦。

9）潤(rùn)滑油的質(zhì)量。潤(rùn)滑油內(nèi)若存在雜質(zhì)或顆粒，電機(jī)工作時(shí)，也會(huì)引起軸的竄動(dòng)。在此，選用耐高溫的潤(rùn)滑油比較恰當(dāng)。

根據(jù)VCC風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的初期運(yùn)行情況，電機(jī)電流、風(fēng)機(jī)振動(dòng)、風(fēng)機(jī)噪聲，都滿足設(shè)計(jì)要求，都在額定的范圍之內(nèi)，所以對(duì)上述的第5、7、8、9條原因也基本可以排除。

因此，可以確定，造成電機(jī)損壞的直接原因是6313軸承的磨損。而造成6313軸承燒毀的深層次原因則在于電機(jī)自身產(chǎn)生的熱量、在6313軸承處存在摩擦產(chǎn)生的熱量和電機(jī)沒(méi)有良好的散熱。這幾種因素的綜合作用，先是揮發(fā)掉了軸承處潤(rùn)滑油，然后是造成風(fēng)機(jī)的劇烈震動(dòng)，加劇軸承與端蓋的摩擦，最終導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

2 解決措施

為了徹底解決上述VCC風(fēng)機(jī)存在的問(wèn)題，需從以下幾個(gè)方面著手：

1）按照真實(shí)的風(fēng)機(jī)的受力情況（除受到重力，還受到升力），進(jìn)行科學(xué)合理的力學(xué)計(jì)算，再確定軸承的安裝結(jié)構(gòu)形式。

2）對(duì)于這種垂直安裝形式的風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，除了下部采用角接觸軸承抵抗重力，上部最好也采用角接觸軸承，用以消除軸向上的力和竄動(dòng)，提高電機(jī)的壽命。

這樣做有幾個(gè)方面的好處：①可以有效消除軸向方向上的力和竄動(dòng)，不用考慮安裝方向，給安裝帶來(lái)方便；②即使受到軸向的推力和竄動(dòng)，也可以有效降低摩擦，變?cè)瓉?lái)的滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，減少發(fā)熱和磨損；③對(duì)于裝配質(zhì)量、潤(rùn)滑油的質(zhì)量和軸承精度的要求，可以有效降低，提高壽命；④軸承與端蓋的間隙不用考慮。這樣由于電機(jī)軸竄動(dòng)造成的上述電機(jī)損毀問(wèn)題，將會(huì)避免。

3）增大上部軸承與軸承端蓋的間隙（0.8 mm左右較為合理），這樣即使存在些電機(jī)軸的竄動(dòng)、電機(jī)的裝配偏差、電機(jī)軸的熱膨脹，也不至于短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生磨損。

4）散熱，改變現(xiàn)有的電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)，考慮散熱措施，如水冷卻等，取消電機(jī)外設(shè)置的鋼桶（這種結(jié)構(gòu)根本就不合理），使電機(jī)產(chǎn)生的熱量可以快速被消除和散出去，這應(yīng)該是最需要做的。

5）增加軸承的保護(hù)措施，設(shè)置熱電偶等的監(jiān)控。電機(jī)軸承溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，自動(dòng)停機(jī)報(bào)警，以便于對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)處理。

6）采用耐高溫的潤(rùn)滑油，提高潤(rùn)滑油的使用壽命。軸承使用的潤(rùn)滑油是普通的3號(hào)鋰基脂。當(dāng)軸承溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，便會(huì)緩慢揮發(fā)。若是選用耐高溫的軸承潤(rùn)滑油，情況會(huì)改善。

7）加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)管，切實(shí)按照質(zhì)保程序有關(guān)要求組織生產(chǎn)，消除影響性能和質(zhì)量的隱患（如裝配精度、外購(gòu)件質(zhì)量等）。

只有從這些方面著手，特別是對(duì)電機(jī)的散熱作為重點(diǎn)考慮，對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，才可以徹底解決VCC風(fēng)機(jī)存在的問(wèn)題。

Fault Analysis for Motor Burn-out of Reactor Containment Vent Cooling Conditioner

JIANG Yan-jun
(China Zhongyuan Engineering Co.，CNNC，Shanghai 200233，China)

The motor was continuously burnout in reactor containment vent cooling conditioner of C2 project, which indicated that there were general problem in the fan. This thesis analyses the problem of the fan in order to give advice and reference for similar product manufacture.

reactor containment vent cooling conditioner；single-row deep groove ball bearing；single-row angular contact ball bearing；fan；motor；thermal expansion

TL38 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0074-07

TL38

A

1674-1617(2012)01-0074-07

2011-11-07

蔣嚴(yán)軍（1969—），男，黑龍江人，高工，機(jī)械專(zhuān)業(yè)，從事核電機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品工作。