花成剛，張本練

（安徽馬鋼設備檢修工程有限責任公司，安徽馬鞍山243000）

電機軸電流分析與齒輪箱軸電流防范

花成剛，張本練

（安徽馬鋼設備檢修工程有限責任公司，安徽馬鞍山243000）

介紹了軸電流產(chǎn)生的原因和解決方案。對馬鋼高速線材16#預精軋機案例進行了分析。實踐證明，軸電流不僅影響電機軸承，更會造成軋機齒輪箱軸承損傷。

電機；軸電流；診斷；齒輪箱；防范

1 前言

在設備運行過程中，如果在電動機兩端軸承或與電機轉軸相連的軸承間有軸電流的存在，那么對于電機、齒輪箱軸承的使用壽命將會大大縮短。由于轉子帶電引起軸電流并造成機器元件損傷的情況，較早出現(xiàn)在發(fā)電機組，故一般把軸電流形成的原因與電磁效應聯(lián)系起來。隨著大型石油、化工裝置，特別是高速軋機機組的應用，軸電流影響軋機機組長周期安全運行的問題越來越突出。輕微的損傷，電機和軸承可能只能運行一千小時左右，嚴重的甚至只能運行幾個小時，給現(xiàn)場安全生產(chǎn)帶來極大的影響。同時由于軸承損壞及更換帶來的直接和間接經(jīng)濟損失也不可小計。

2 軸電壓和軸電流的產(chǎn)生

軸電壓是電動機兩軸承端或電機轉軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓，其產(chǎn)生原因一般有以下幾種：

2.1 磁不平衡、不對稱產(chǎn)生軸電壓

電動機由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在轉軸的周圍有交變磁通切割轉軸，在軸的兩端感應出軸電壓（解決方案：A.磁場對稱；B.在電機非驅動端使用絕緣軸承）。

2.2 逆變供電產(chǎn)生軸電壓

電動機采用逆變供電運行時，由于電源電壓含有較高次的諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉軸之間產(chǎn)生電磁感應，使轉軸的電位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生軸電壓。

圖1 由于磁場不平衡導致過電流(循環(huán)電流)

2.3 靜電感應產(chǎn)生軸電壓

在電動機運行的現(xiàn)場周圍有較多的高壓設備，在強電場的作用下，在轉軸的兩端感應出軸電壓（解決方案：A.d U/d t濾波；B.繞組和轉子間屏蔽；C.兩端軸承均需絕緣；D.轉子接地）。

2.4 磁化效應產(chǎn)生軸電流

對于電機類轉子，產(chǎn)生軸電流的原因主要有磁力線分布的不對稱效應以及轉軸的磁化效應。磁力線分布不對稱通常是由于疊片層的不對稱的間隙引起的。除電機類轉子外，其他設備也會因軸的磁化效應而產(chǎn)生軸電流。

軸的磁化效應是轉軸由于各種原因而帶有磁性，例如轉子存在不平衡電流繞組使轉軸磁化，焊接、摩擦、碰撞以及電渦流裝置均可能使設備帶有磁性，并建立起磁場。旋轉磁場切割導體，會在這些零件內感應起一定電位，當電位升高到足以擊穿油膜時，就形成電流回路。這種電流回路可能穿過整個轉子，也可能僅在軸承中或浮環(huán)密封中形成局部的短路電流，軸承或浮環(huán)中的短路電流又會產(chǎn)生新的磁場，磁化轉軸或其他零件。因此，這種磁電相互轉換，會在機組內形成很強的磁場，并出現(xiàn)很高的電流（解決方案：A.合適的電纜；B.信號d U/d t濾波；C.非驅動端使用絕緣軸承隔斷循環(huán)電流）。

圖2 由于磁場不對稱導致過電流(循環(huán)電流)

2.5 其他原因

如靜電荷的積累、測溫元件絕緣破損等因素都有可能導致軸電壓的產(chǎn)生。軸電壓建立起來后，一旦在轉軸及機座、殼體間形成通路，就產(chǎn)生軸電流（解決方案：A.合適的電纜；B.正確的接地；C.分軸器絕緣；D.兩端軸承絕緣）。

3 軸電流對軸承的破壞

正常情況下，轉軸與軸承間有潤滑油膜的存在，起到絕緣的作用。對于較低的軸電壓，這層潤滑油膜仍能保護其絕緣性能，不會產(chǎn)生軸電流。但是當軸電壓增加到一定數(shù)值時，尤其在電動機啟動時，軸承內的潤滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜而放電，構成回路，軸電流將從軸承和轉軸的金屬接觸點通過，由于該金屬接觸點很小，所以這些點的電流密度大，在瞬間產(chǎn)生高溫，使軸承局部燒熔，被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺，于是在軸承內表面上燒出小凹坑。一般由于轉軸硬度及機械強度比軸承燒熔合金高，通常表現(xiàn)出來的癥狀是軸承內表面被壓出條狀電弧傷痕，所帶來的主要后果如下：

（1）在放電區(qū)域熔化金屬粒子，在金屬表面形成極微小的電蝕凹坑；

（2）凹坑的積聚使表面變得粗糙，失去光澤，如果發(fā)生在軸瓦上則會產(chǎn)生純機械磨損；

（3）熔化的金屬微粒進入潤滑系統(tǒng)，使?jié)櫥瑒┦艿轿廴?，整個潤滑系統(tǒng)的潤滑性能變壞，而且含有大量金屬微粒的潤滑劑會降低油膜電阻，加速電火花侵蝕的進展；

（4）在軸承承載區(qū)產(chǎn)生局部高溫，破壞油膜，燒壞金屬，增加磨耗，最終造成嚴重的摩擦損壞。

在旋轉機械的轉子系統(tǒng)中，最容易發(fā)生電火花放電的部位是徑向軸承和止推軸承的承載面、齒式聯(lián)軸器的工作齒面，這些部位因運行中的多種條件變化（如負荷、溫度、潤滑狀況以及轉子振動等），均有可能會使油膜和氣隙電阻減小，在這些部位很容易引起電火花放電現(xiàn)象。

對于徑向滑動軸承，軸承電蝕凹坑的發(fā)展會使巴氏合金表面受到嚴重的腐蝕，這不僅會改變軸承的原有間隙，而且表面光潔度下降還會導致軸承表面的擦傷和擦痕、局部高溫和燒傷。高速輕載軸承表面巴氏合金的磨耗會使一部分軸瓦失去作用，轉子在旋轉時容易誘發(fā)油膜渦動，造成轉子系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而不穩(wěn)定的油膜反過來又會引起軸承油膜電阻的急劇下降，使更多的軸電流通過該區(qū)域，加劇電火花作用，彼此相互激勵，最終導致軸承或軸系系統(tǒng)的損壞。

4 解決方法

多年來，我們對高速線材軋機機組（包括16#軋機齒輪箱、精軋機增速箱、4#夾送輥增速箱的輸入軸）所損壞的圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承，進行了檢查和分析，基本都存在軸承內圈、外圈、滾動體上的“搓板紋”損傷，這些均是軋機輸入軸有軸電流產(chǎn)生或軸承有過電流的明顯現(xiàn)象。我們也正在進行積極的技術改造，防止電機產(chǎn)生軸電流的可能性，以避免重大設備事故發(fā)生。為此我們采取了兩項改進措施：（1）為消除軸電壓經(jīng)過軸承、機座與基礎等處形成的電流回路，采用接地線將齒輪箱軸承座對地絕緣。（2）為防止電機轉軸形成懸浮電位，對電機軸增加接地碳刷，確保轉軸通過電刷有效接地。改進效果良好。

5 案例分析

高速線材預精軋機16架輸入軸圓錐滾子軸承損壞案例：

5.1 故障現(xiàn)象及診斷

2011年5月大修前，通過在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)16架齒輪箱輸入軸測點信號異常，包絡信號（ENV3）振動總值已超過主報警值，頻譜分析圖顯示圓錐滾子軸承33024（SKF）軸承外圈故障特征頻率及其諧波特征明顯，見圖3。

圖3 檢修前16架齒輪箱振動趨勢圖及頻譜圖

頻譜分析頻率2000 Hz，1600譜線，計算軸承33024故障特征頻率（轉頻R=17.3 Hz，外圈故障頻率/轉頻=13.592）為：

外圈故障頻率BPFO=17.3×13.592=235.14 Hz。分析見表1。

表1 16架齒輪箱軸承故障頻率分析

該軸承外圈故障頻率1倍頻振幅值已達1.43ge，2、3、4倍頻振幅值均達0.5ge以上。包絡信號振動總值達8.858ge，分析認為該軸承外圈損傷。結合加速度和包絡信號綜合分析，可以判斷軸承損傷原因為“軸電流”引起的軸承電蝕損傷。

5.2 故障處理及改進

利用大修時間解體齒輪箱，檢查發(fā)現(xiàn)圓錐滾子軸承33024內外圈滾道表面存在比較嚴重的“搓板痕”見圖4。證實為“軸電流”損傷，由于電樞與軸之間通過軸承接地而產(chǎn)生輕微放電，電流在旋轉中的軸承滾道和滾動體的接觸部分流動時，通過薄薄的潤滑油膜發(fā)出火花，造成接觸表面出現(xiàn)局部的熔融和凹凸現(xiàn)象，其癥狀就是軸承元件內表面被壓出條狀電弧傷痕。

圖4 軸承33024內外圈損傷照片（左側為軸承內圈，右側軸承為外圈）

為此我們采取了兩項改進措施，檢修后16架齒輪箱振動趨勢及頻譜圖如圖5所示。

（1）為消除軸電壓經(jīng)過軸承、機座與基礎等處形成的電流回路，采用接地線將齒輪箱軸承座對地絕緣。

（2）為防止電機轉軸形成懸浮電位，對電機軸增加接地碳刷，確保轉軸通過電刷有效接地。

圖5 檢修后16架齒輪箱振動趨勢圖及頻譜圖

改造并更換軸承后，輸入軸包絡信號振動總值降為1.94ge。同時33024軸承故障特征頻率幅值降為0.04ge以下。

[1]牛明忠.設備故障的振動識別方法與實例[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[2]SKF.SKF軸承綜合型錄[M].上海：上?？茖W技術文獻出版社，1991.

Analysis of Shaft Current of Motors and Prevention of Shaft Current of Gearboxes

HUA Chenggang，ZHANG Benlian
(TheEquipmentRepairEngineeringCo.,Ltd.ofMasteel,Maanshan,Anhui243000,China)

The causes and solutions of shaft current were introduced and a case of shaft current at the No.16 finishing mill of Masteel’s high-speed wire rod plant was analyzed. Practice has proved that shaft current not only affects the bearings of motors but also damages the bearings of gearboxes.

motor;shaft current;diagnosis;gearbox;prevention

TM 3

B

1006-6764(2014)02-0007-04

2013－09－10

2013－11－06

花成剛（1969－），男，1990年畢業(yè)于馬鞍山聯(lián)大冶金機械專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事冶金維修工作。