趙獻(xiàn)丹，何慶中，王永斌，郭　斌

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢　643000)

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離心紡絲電錠故障分析

趙獻(xiàn)丹，何慶中，王永斌，郭斌

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢643000)

離心紡絲電錠工況較惡劣，故障率高。對(duì)某化纖生產(chǎn)企業(yè)的故障電錠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)故障電錠損壞主要集中在軸承和電機(jī)部分。對(duì)電錠軸承的疲勞壽命進(jìn)行分析，計(jì)算出軸承的疲勞壽命約為75d；對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的電錠進(jìn)行抽樣分析，發(fā)現(xiàn)電錠的故障時(shí)間約為70～90d；對(duì)100臺(tái)電錠分別進(jìn)行軸承維護(hù)和電機(jī)維護(hù)，對(duì)比故障結(jié)果，判定離心紡絲電錠故障產(chǎn)生的根本原因是軸承的疲勞損壞。

離心紡絲電錠；軸承；疲勞壽命；故障

中國(guó)是世界上最大的化纖生產(chǎn)國(guó)，《2016—2022年中國(guó)化學(xué)纖維行業(yè)分析及投資決策研究報(bào)告》顯示：2015年中國(guó)化學(xué)纖維市場(chǎng)產(chǎn)量達(dá)4872萬(wàn)t。離心式連續(xù)紡絲機(jī)是生產(chǎn)粘膠長(zhǎng)絲的一種重要設(shè)備，其核心部件是離心紡絲電錠，GD型離心紡絲電錠是目前國(guó)內(nèi)化纖企業(yè)中使用最多的一種電錠，結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相交流變頻電機(jī)為電錠提供動(dòng)力，電機(jī)定子直接安裝在電錠機(jī)殼上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接和轉(zhuǎn)軸連接，轉(zhuǎn)子由上下兩個(gè)深溝球軸承支承，在變頻器的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)離心罐以8500r/min速度旋轉(zhuǎn)[1]，絲束進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的離心罐內(nèi)，在離心力作用下加捻并纏繞成絲錠。這種電錠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、制造方便，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加速性能好，易于實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。

1.離心罐，2.芯軸，3.密封蓋，4.機(jī)殼，5.軸承，6.錠子，7.轉(zhuǎn)子，8.膠墊圖1　電錠結(jié)構(gòu)

化纖生產(chǎn)普遍采用濕法紡絲工藝，電錠的工作環(huán)境濕度大、酸性腐蝕大，再加上電錠的工作轉(zhuǎn)速高，因此電錠的故障率高[2]。

電錠發(fā)生故障后，一般是憑維修工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)排查故障并進(jìn)行維修。但是紡絲企業(yè)的電錠數(shù)量巨大，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行維護(hù)，不但效率極低，而且維護(hù)成本相當(dāng)高[3]。如果能夠找出電錠故障的根本原因并進(jìn)行有效維護(hù)，將極大提高紡絲機(jī)運(yùn)行的可靠性和產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本。

本文對(duì)某化纖生產(chǎn)企業(yè)的故障電錠進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合理論探究了電錠故障產(chǎn)生的根本原因。

1　軸承疲勞壽命分析

某化纖生產(chǎn)企業(yè)擁有離心紡絲電錠36000臺(tái)，由于故障率高，維護(hù)量大，該企業(yè)每年都要花費(fèi)大量資金用于紡絲電錠的維修保養(yǎng)，極大影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)對(duì)損壞電錠的拆解分析，發(fā)現(xiàn)電錠損壞主要集中在軸承和電機(jī)兩個(gè)部分，電機(jī)的損壞主要是轉(zhuǎn)子的磨損和定子線圈燒壞。

電錠在啟動(dòng)、停機(jī)和穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地存在不平衡力，尤其在離心罐的內(nèi)壁，原漿和水分分布的不均勻會(huì)產(chǎn)生不平衡力，導(dǎo)致電錠產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)軸承造成沖擊，特別是電錠啟停過(guò)程中，當(dāng)振動(dòng)頻率和電錠的固有頻率相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，對(duì)軸承產(chǎn)生更大的沖擊。粘膠長(zhǎng)絲的生產(chǎn)過(guò)程是周期性的，當(dāng)一錠長(zhǎng)絲成錠后，電錠停機(jī)，取出絲錠，然后再起動(dòng)電錠，生產(chǎn)另一錠，周而復(fù)始，在這種周期性的啟停過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生共振，盡管這種共振時(shí)間較短暫，但沖擊作用積累后將加速軸承的疲勞破壞，從而使得軸承間隙增大，而轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙很小，軸承間隙增大到一定程度后，轉(zhuǎn)子和定子將會(huì)接觸，發(fā)生摩擦，造成定轉(zhuǎn)子的磨損，摩擦所產(chǎn)生的高溫將破壞定子線圈的絕緣性能，最終導(dǎo)致定子線圈的燒毀，致使電錠無(wú)法正常工作，因此推測(cè)軸承疲勞破壞是電錠故障的根本原因。

為了進(jìn)一步確定電錠的故障原因，對(duì)軸承的疲勞壽命進(jìn)行理論分析。滾動(dòng)軸承的疲勞壽命可用式(1)表示：

(1)

其中：Lh—軸承壽命；C—基本額定動(dòng)載荷；P—當(dāng)量動(dòng)載荷；ft—溫度系數(shù)；fp—載荷系數(shù)；ε—壽命指數(shù)，球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3；n—軸承的工作轉(zhuǎn)速。

在離心紡絲電錠運(yùn)行過(guò)程中，軸承既要承受不平衡力產(chǎn)生的徑向載荷，還要承受離心罐、轉(zhuǎn)軸等產(chǎn)生的軸向載荷，同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，深溝球軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷可用式(2)表示：

P=XFr+YFa

(2)

其中：X—徑向載荷系數(shù)；Y—軸向載荷系數(shù)；Fr—徑向載荷；Fa—軸向載荷。

為求得電錠軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷，采用Adams/vibration模塊進(jìn)行電錠的振動(dòng)響應(yīng)分析，這不僅可以獲得電錠的振動(dòng)響應(yīng)特性，還可以得到電錠軸承在不平衡質(zhì)量作用下承受的動(dòng)載荷[4]，如圖2所示。徑向載荷取其穩(wěn)定工作時(shí)的最大值Fr=940N，軸向載荷為離心罐和轉(zhuǎn)軸等的重力Fa=18.2N。

圖2　軸承徑向載荷

根據(jù)電錠的工作條件，可以確定疲勞壽命計(jì)算的相關(guān)參數(shù)[5-6]，如表1所示。電錠使用6000系列的深溝球軸承，內(nèi)徑為17mm，基本額定動(dòng)載荷C為9580N；電錠工作溫度在80℃以下，溫度系數(shù)ft取1；電錠在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在一定的沖擊載荷，屬于輕微沖擊，載荷系數(shù)fp取1.05。

表1疲勞壽命公式參數(shù)值

XYFr/NFa/NC/Nftfpn/(r/min)ε1094018.2958011.0585003

將參數(shù)代入式(1)可以得到電錠軸承在工作過(guò)程中的疲勞壽命為1793h，約為75d。

2　電錠故障統(tǒng)計(jì)分析

為了驗(yàn)證理論計(jì)算的可靠性，確定電錠故障產(chǎn)生的主要原因，對(duì)該企業(yè)的電錠進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，隨機(jī)選取生產(chǎn)線上的3600臺(tái)電錠作為研究對(duì)象，并進(jìn)行標(biāo)記，然后對(duì)標(biāo)記的電錠運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。

經(jīng)過(guò)約100d，標(biāo)記的3600臺(tái)電錠都出現(xiàn)故障，無(wú)法正常運(yùn)行，對(duì)電錠出現(xiàn)故障的時(shí)間、數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到電錠故障分布，如圖3所示。

圖3　電錠故障臺(tái)數(shù)分布

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，發(fā)生故障的電錠的數(shù)量接近正態(tài)分布，在80d左右電錠出現(xiàn)故障的數(shù)量最多，90%的電錠在運(yùn)行70～90d后出現(xiàn)故障。

將故障電錠拆解，對(duì)其內(nèi)部零件進(jìn)行仔細(xì)觀察分析，發(fā)現(xiàn)幾乎所有故障電錠的軸承都產(chǎn)生了疲勞損壞，電機(jī)定子線圈燒壞，而其他零件基本正常。由此可以推斷，電錠運(yùn)行70～90d時(shí)，電錠內(nèi)部的轉(zhuǎn)子支承軸承和電磁系統(tǒng)的線圈將會(huì)損壞，從而導(dǎo)致電錠停機(jī)。

為了進(jìn)一步判定軸承和電機(jī)哪個(gè)是造成電錠故障的根本原因，維護(hù)人員對(duì)剛維護(hù)好的、狀態(tài)良好的電錠進(jìn)行了兩次抽樣試驗(yàn)：a)隨機(jī)抽取100臺(tái)電錠，在第50d時(shí)，更換電錠的支撐軸承；b)隨機(jī)抽取另外100臺(tái)電錠，在第50d時(shí)，更換電錠電機(jī)的定子線圈。

將兩組電錠采用不同的方式進(jìn)行標(biāo)記，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，第50d時(shí)，對(duì)第一組電錠進(jìn)行更換軸承的維護(hù)操作，對(duì)第二組電錠進(jìn)行更換線圈的維護(hù)操作。然后繼續(xù)運(yùn)行，100d后停機(jī)檢測(cè)。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，更換軸承的第一組電錠只有一臺(tái)電錠故障停機(jī)，其余99

臺(tái)都能夠繼續(xù)正常工作；而更換線圈的第二組電錠有99臺(tái)電錠出現(xiàn)故障，僅1臺(tái)沒(méi)有出現(xiàn)故障。

3　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)故障電錠的分析和抽樣運(yùn)行試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：造成電錠運(yùn)行故障的根本原因在于軸承的損壞。

依據(jù)滾動(dòng)軸承疲勞壽命公式計(jì)算得到軸承的壽命為75d，與試驗(yàn)所得的70～90d不完全一致，這是因?yàn)檩S承疲勞壽命是指軸承出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕的時(shí)間，距離軸承完全疲勞破壞、電錠故障停機(jī)還需要一定的時(shí)間。據(jù)此可以認(rèn)為理論計(jì)算結(jié)果基本正確。

影響電錠軸承壽命還有以下因素：一方面，在離心電錠啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中，因轉(zhuǎn)動(dòng)部分的不平衡動(dòng)載荷，電錠會(huì)產(chǎn)生短時(shí)共振現(xiàn)象，使支承軸承存在一定的附加動(dòng)態(tài)應(yīng)力，從而加速軸承的損壞；另一方面，由于電錠結(jié)構(gòu)上并不是封閉的，軸承也沒(méi)有密封，電錠工作環(huán)境中的水分和酸性物質(zhì)對(duì)軸承的腐蝕必然會(huì)降低軸承的壽命。

通過(guò)對(duì)電錠故障原因的分析，找出電錠故障的根本原因，對(duì)于提高化纖生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低電錠的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，降低企業(yè)生產(chǎn)成本具有一定的價(jià)值。

[1] 劉玉來(lái).GD-1型新型紡絲電錠的應(yīng)用[J].人造纖維,2003,33(3):16-17.

[2] 于會(huì)榮.改進(jìn)電錠繞組浸漆工藝、降低電錠燒包率[J].人造纖維,1999(4):35-37.

[3] 陳靖,楊平,楊宏.紡絲機(jī)電錠組件的故障診斷技術(shù)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,21(12):128-130.

[4] 嚴(yán)世榕，李智強(qiáng).整車環(huán)境下動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)振動(dòng)特性研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,42(1):103-109.

[5] 趙永剛.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014：194.

[6] 駱?biāo)鼐?機(jī)械課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011: 231.

(責(zé)任編輯：康鋒)

Analysis on Fault of Centrifugal Electric Spindle

ZHAOXiandan,HEQingzhong,WANGYongbin,GUOBin

(Institute of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering , Zigong 643000, China)

Failure rate of the centrifugal electric spindle is high under the harsh operating condition. Through studying electric spindle failure of a chemical fiber production enterprise, it is found that electric spindle failure contains two aspects, bearing and motor. Then, the fatigue life of the bearing was analyzed and its fatigue life was figured out, i.e. about 75 days. It is found from sampling analysis of the electric spindle in the production field that, the fault time of electric spindle is about 700～90 days. The bearing and motor maintenance was done for 100 motors, and the fault results were compared. The basic reason of centrifugal electric spindle fault is the fatigue failure of the bearing.

centrifugal electric spindle; bearing; fatigue life; fault

2015-09-14

過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(GK201207)；自貢市科技局項(xiàng)目(2012Z09)；人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2014RZY03)

趙獻(xiàn)丹(1973-)，男，湖面湘潭人，碩士，講師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)方面的研究。

TS152.7

A

1009-265X(2016)05-0046-03