(黑龍江佳木斯 154000)
本世紀(jì)初,電機(jī)行業(yè)將節(jié)能提到與國策合拍的高度,并在“惠民工程”上出臺(tái)了優(yōu)惠政策,使電機(jī)廠家競(jìng)相提高電機(jī)的效率,掀起訂購YX3、YE3電機(jī)的熱潮。YX3(或YE3)及由此派生的防爆電機(jī),在通風(fēng)散熱模式、電磁設(shè)計(jì)、軸承結(jié)構(gòu)與Y2、Y3基本相同。本文以YX3為例所闡述的內(nèi)容可以代表Y2、Y3及由它們衍生或派生的產(chǎn)品。
目前投放市場(chǎng)的上述系列,在315~500機(jī)座號(hào)范圍內(nèi)均以鑄鐵機(jī)座為主。因其涵蓋面較大:45~1120kW;2~12極;380~10000V;通風(fēng)散熱方式,IC151;防護(hù)等級(jí),IP44、IP54;在市場(chǎng)中的覆蓋率也較高,因此,一點(diǎn)點(diǎn)地改進(jìn)都會(huì)帶來可觀的效益。
參照近些年來在材料、制造技術(shù)上的改進(jìn);在設(shè)計(jì)、使用中積累的經(jīng)驗(yàn)以及發(fā)現(xiàn)的問題,本文針對(duì)YX3系列315~500機(jī)座號(hào)高、低壓鑄鐵機(jī)座三相異步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“電機(jī)”)在設(shè)計(jì)、制造、使用中值得商榷的幾處予以剖析,供業(yè)內(nèi)人士深入研討,以求在提質(zhì)、挖潛中達(dá)成共識(shí),使節(jié)能電機(jī)在服役中既保證安全運(yùn)行;又能提升實(shí)際的節(jié)能效果。
電機(jī)在使用中的實(shí)際節(jié)能效果體現(xiàn)在其定子輸入電流I1上。即
I1=P/(1.732Uηcosφ)
式中,P—電機(jī)的功率;U—電機(jī)的電壓;ηcosφ—電機(jī)的效率η與功率因數(shù)cosφ的乘積(當(dāng)I1、P、U、η、cosφ的下標(biāo)標(biāo)以“N”時(shí),則分別代表各自的額定值)。
當(dāng)P、U確定后,I1與η、cosφ二者的乘積成反比。即:ηcosφ越大,I1越小,節(jié)能效果越明顯。由于“惠民工程”的能效指標(biāo)僅考核η,使節(jié)能電機(jī)的ηcosφ值與老系列JO2相比變化不大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)JO2、YX3可以直接對(duì)比的18個(gè)規(guī)格(YX3的18個(gè)規(guī)格為小型,但其電磁負(fù)荷選擇規(guī)律與中型相近,與JO2的對(duì)比,基本上可以代表中型)ηcosφ的平均值。
JO2,ηcosφ=0.8017;
YX3,ηcosφ=0.7822。
誠然,使用現(xiàn)場(chǎng)可以借助無功補(bǔ)償提高cosφ,但現(xiàn)場(chǎng)很少采用這種措施,致使YX3的實(shí)際耗電指標(biāo)未見明顯降低,甚至略高于JO2。
既然使用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際節(jié)能效果由電機(jī)的輸入電流I1決定,I1的大小又與電機(jī)的效率和功率因數(shù)的乘積—ηcosφ直接相關(guān),“惠民工程”應(yīng)該將cosφ也納入能效考核指標(biāo)之中;或者,直接將ηcosφ作為能效考核指標(biāo)。這樣,既能讓電機(jī)的使用部門直接體察到電機(jī)的實(shí)際節(jié)能效果;又便于電機(jī)的生產(chǎn)廠家按照不同的產(chǎn)品在η與cosφ之間留有匹配的余地:比如,若有的產(chǎn)品提高η較難,則可用提高cosφ來彌補(bǔ)(但二者不宜等同,η仍為硬指標(biāo))。
定子繞組電流密度J1是一個(gè)與耗銅量直接相關(guān)的參數(shù):J1低,耗銅量大。仍以JO2、YX3可以直接對(duì)比的18個(gè)規(guī)格相對(duì)比,其J1(以小型代中型的規(guī)律同上)的平均值
JO2,J1=4.7;
YX3,J1=4.2。
降低J1可以降低定子繞組銅損耗Pcu1,提高η。但η由5項(xiàng)損耗的累計(jì)值決定,Pcu1僅是其中之一,其它4項(xiàng)損耗仍有潛力可挖。為提高η降低Pcu1(個(gè)別規(guī)格還因?yàn)殡姍C(jī)溫升θ1偏高而降低Pcu1),要耗用較多的銅線。我國銅礦資源不豐富,上個(gè)世紀(jì)70~80年代,為節(jié)銅,曾經(jīng)在電機(jī)行業(yè)實(shí)施以鋁代銅。同時(shí),銅由銅礦冶煉成銅錠,再由銅錠加工成銅線,都要消耗電能。所以,從國民經(jīng)濟(jì)全局考慮,應(yīng)權(quán)衡多用銅帶來的提高η節(jié)電的效益與銅線生產(chǎn)過程中消耗電能之間的得與失,以免沾上“拆東墻、補(bǔ)西墻”之嫌。
JO2是上個(gè)世紀(jì)60年代設(shè)計(jì),E級(jí)絕緣,熱軋硅鋼片;YX3本世紀(jì)初設(shè)計(jì),F(xiàn)級(jí)絕緣,冷軋硅鋼片。在保證能效指標(biāo)的前提下,通過改進(jìn)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)、調(diào)整電磁設(shè)計(jì),YX3可以將J1提高,實(shí)現(xiàn)既節(jié)能又節(jié)銅的目標(biāo),使整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)受益。
3.1 機(jī)座上散熱片的排列
散熱片的排列有兩種:傳統(tǒng)輻射狀排列;及平行、垂直狀排列。前者,散熱效果好。后者,源于法國,旨在減少造型工時(shí),但散熱效果不如前者好;對(duì)電機(jī)表面在使用中積累的污垢(影響散熱)的清理也不如前者方便。據(jù)某生產(chǎn)鑄鐵件的專業(yè)廠家供述,兩種機(jī)座造型工時(shí)差別不明顯,且因后者廢品率偏高,每噸價(jià)格還要高50元。
3.2 帶4個(gè)軸向風(fēng)道的機(jī)座未達(dá)到預(yù)期的通風(fēng)散熱效果
在Y2、Y3及其派生產(chǎn)品上測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其通風(fēng)散熱效果未達(dá)到預(yù)期的冷卻效果,見表1。
表1 對(duì)Y2、YX3及其派生產(chǎn)品(均為“緊湊型”)軸向風(fēng)道外表面溫度的測(cè)試結(jié)果
表1中所列電機(jī),就通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)而言,基本上可以代表Y2、Y3、YX3、YE3及其衍生、派生的315~500機(jī)座號(hào)的產(chǎn)品。按這樣的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu),見文獻(xiàn)[1]圖6,其設(shè)計(jì)思路是:內(nèi)風(fēng)路在流經(jīng)軸向風(fēng)道時(shí),應(yīng)將內(nèi)腔的熱量在風(fēng)道中散發(fā)掉一部分,使內(nèi)腔溫度降低。但實(shí)測(cè)卻得到相反的結(jié)果:內(nèi)風(fēng)路在從非軸伸端(外風(fēng)扇端)流向軸伸端時(shí)溫度卻升高了5℃~12℃,平均升高10.4℃。此外,熱氣流吹到軸伸端的軸承處時(shí),對(duì)軸承壽命也有影響。
3.3 YX3通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的利與弊
YX3通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)若能減少造型工時(shí),則優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但就通風(fēng)散熱效果而言,如上所述,不理想。迫使YX3改變Y系列的“電機(jī)按F級(jí)絕緣制造,按B級(jí)絕緣考核”的初衷。
3.4 尋求合適的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)
通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的質(zhì)量、性能、制造成本均起到至關(guān)重要的作用。若結(jié)構(gòu)不合適,低壓電機(jī)J1=2溫升仍不合格;結(jié)構(gòu)合適,高壓電機(jī)的J1可以大于4。315~500機(jī)座號(hào)處于高、低壓;大、中型交叉段,通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)未必千篇一律。電機(jī)的生產(chǎn)廠家自己應(yīng)搞些實(shí)驗(yàn)研究。本文在參考文獻(xiàn)[1]中推薦過一種結(jié)構(gòu)。
國內(nèi)電機(jī)行業(yè)將電機(jī)的軸承連同與之配合的零部件組成的整體稱之為“軸承結(jié)構(gòu)”,并不指軸承本身的結(jié)構(gòu),本文也不例外。
在“三包”返修的電機(jī)中,軸承處出現(xiàn)的故障一直居高不下,主要是軸承處發(fā)熱及某些機(jī)械原因?qū)е螺S承過早地?fù)p壞。對(duì)待“軸承結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)、加工,及軸承的選型、安裝、使用維護(hù),等等,每一個(gè)環(huán)節(jié)都不允許有一點(diǎn)點(diǎn)的閃失。常常是一次故障由幾個(gè)因素同時(shí)作用促成。軸承在任何工作狀態(tài)下,滾動(dòng)體—滾珠或滾柱與軸承內(nèi)、外圈之間必須有間隙,即“游隙”;滾道中必須有潤滑劑(脂或油),這是兩個(gè)必備的條件。游隙大,不行;小,也不行;沒有,更不行;潤滑脂多了不行;少了不行;沒有,同樣更不行,很“嬌氣”。
因此,將保證軸承安全運(yùn)轉(zhuǎn)的逐項(xiàng)措施分解后,一一剖析。
4.1 軸承在軸承室中不能處于過盈狀態(tài)
軸承的游隙有三種:原始游隙—軸承出廠時(shí)的游隙;裝配游隙—裝到電機(jī)上的游隙及工作游隙—運(yùn)行時(shí)存在的游隙。軸承一般是加熱裝到電機(jī)軸上,裝配游隙要小于原始游隙;運(yùn)行時(shí),軸承要發(fā)熱,端蓋或軸承套很難將軸承外圈的熱膨脹值“消化”掉,則工作游隙往往要小于裝配游隙。即三種游隙常常是一個(gè)比一個(gè)小。若電機(jī)裝配時(shí)軸承在軸承室中就處于過盈狀態(tài),則很難保證電機(jī)的安全運(yùn)行。因此,軸承室內(nèi)徑公差的上差與下差最好都是“+”,見文獻(xiàn)[2]。
4.2 電機(jī)在工作中轉(zhuǎn)子應(yīng)能自由蠕動(dòng)
為保證電機(jī)在工作中轉(zhuǎn)子應(yīng)能自由蠕動(dòng),最好選用一個(gè)單列向心球軸承、一個(gè)向心短園柱滾子軸承。若選用兩個(gè)單列向心球軸承,很難將電機(jī)工作中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱膨脹“消化”掉,使軸承的滾珠承受額外的軸向力而過早地?fù)p壞。若擔(dān)心極限轉(zhuǎn)速低,可選輕系列的滾子軸承。
4.3 兩端軸承的同軸度要保證
電機(jī)兩端軸承的同軸度要靠與軸承配合相關(guān)的零、部件—轉(zhuǎn)子、端蓋(軸承套)、機(jī)座的同軸度保證。這一點(diǎn),大部分電機(jī)的生產(chǎn)廠家都清楚。但有一個(gè)機(jī)座變形的隱患,在生產(chǎn)中容易被忽略(見本文5)。機(jī)座變形,要破壞兩端軸承的同軸度,導(dǎo)致軸承的壽命降低,也是電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲的禍根。
4.4 選用、識(shí)別優(yōu)質(zhì)軸承
優(yōu)質(zhì)軸承價(jià)格高,但減少返修率,這筆賬都會(huì)算。關(guān)鍵是讓現(xiàn)場(chǎng)裝配工人學(xué)會(huì)識(shí)別軸承的偽劣。不妨將優(yōu)、劣軸承各置一套,讓工人體察、感受、鑒別。
4.5 慎用“三軸承”
“三軸承”指的是電機(jī)的一端用兩套軸承—一套向心球軸承、一套短圓柱柱滾子軸承;另一端用一套短圓柱柱滾子軸承。該結(jié)構(gòu)源于原西德,將它用在隔爆等級(jí)高的防爆電機(jī)上,旨在讓向心球軸承僅承擔(dān)軸向力及軸向定位;短圓柱柱滾子軸承僅承擔(dān)徑向力及徑向定位,以減少因隔爆間隙過小導(dǎo)致軸承內(nèi)蓋與軸相擦的故障。若將其大面積鋪開,則大可不必。對(duì)于絕大部分普通臥式電機(jī),選用兩套軸承:一套向心球軸承、一套短圓柱滾子軸承,在國內(nèi)外已有幾十年成熟的使用經(jīng)驗(yàn)?!叭S承”有三個(gè)缺點(diǎn):容易發(fā)熱、不便拆裝、浪費(fèi)一套軸承。但近二十多年“市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)”中供需之間的微妙關(guān)系一直掩蓋著這樣一個(gè)純技術(shù)性的問題。
4.6 脂的牌號(hào)與加脂量
潤滑脂的牌號(hào)應(yīng)適應(yīng)電機(jī)的要求(主要是轉(zhuǎn)速)及使用環(huán)境。加脂量G(g)要適中
G=BD/(100~150)
式中,B、D—軸承寬度、軸承外徑的mm值。高速電機(jī)取小值;低速取大值。
電機(jī)出廠時(shí),加脂量一般都偏高;有時(shí),軸承有點(diǎn)噪聲也加點(diǎn)潤滑脂。這對(duì)保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)均屬無益。
4.7 擋油盤與甩油盤的設(shè)置
擋油盤與甩油盤,前者怕潤滑脂流失;后者擔(dān)心廢舊潤滑脂排不出去。目前在國內(nèi)中小型電機(jī)上兩種結(jié)構(gòu)都有。在正常情況下,軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中只是一層油膜起潤滑作用,這層油膜若不流失、不變質(zhì),會(huì)一直起潤滑作用。全封閉軸承就是按照這一機(jī)理而設(shè)計(jì)、制造。因此,擋油盤較為適用。若借助擋油盤使軸承室能“含”住潤滑脂,則毋須加注潤滑脂,至少可以使加脂間隔放得較長。全封閉軸承就是這個(gè)道理。加脂過頻,沒有益處。
4.8 加強(qiáng)密封
軸承內(nèi)外蓋處的密封,其重要性、采取的結(jié)構(gòu),此不贅述。順便提及的是,返修電機(jī)的內(nèi)腔有時(shí)出現(xiàn)由軸承處泄漏的潤滑脂。這與電機(jī)啟動(dòng)瞬間內(nèi)風(fēng)扇產(chǎn)生的負(fù)壓有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的措施。
4.9 軸承處的通風(fēng)散熱不可忽略
近二十年來,大部加分電機(jī)生產(chǎn)廠家的鑄鐵機(jī)座都是由專業(yè)生產(chǎn)鑄件的廠家供貨。有些廠家追求效益,澆注后很快就打箱。有時(shí),鑄件交到電機(jī)廠還是熱的,這樣的機(jī)座容易變形,質(zhì)地也不佳。其中,變形對(duì)電機(jī)的質(zhì)量影響較大。若電機(jī)廠生產(chǎn)周期短,在電機(jī)的制造過程中很難察覺到。但在運(yùn)行中,這種變形將逐漸地釋放出來,它會(huì)破壞電機(jī)的同軸度,使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲;也要減少軸承的使用壽命。
若金工加工好的機(jī)座,或者成品電機(jī)放在平臺(tái)上呈“三條腿”的狀態(tài),機(jī)座就是變形了。為提高質(zhì)量,最好將機(jī)座時(shí)效后再加工;或者,讓供貨廠家做時(shí)效處理。
6.1 節(jié)能應(yīng)結(jié)合使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況,使I1實(shí)實(shí)在在地降下來。
6.2 應(yīng)提高節(jié)能電機(jī)技術(shù)含量,提高J1,達(dá)到既節(jié)能又節(jié)銅,使整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)受益。
6.3 節(jié)能的同時(shí)不要忘記安全運(yùn)行。軸承故障在整個(gè)故障中占的比率較大。因故障停產(chǎn),則使節(jié)能效益大打折扣,不可掉以輕心。
6.4 機(jī)座變形是電機(jī)安全運(yùn)行的隱患。質(zhì)量保證體系應(yīng)將這“看不見”質(zhì)量問題醒目地納入相關(guān)的條文中。
[1] 李宗樹,楊萬青.中小型異步電機(jī)的通風(fēng)散熱.防爆電機(jī),2018.1.
[2] 楊萬青,劉建忠.實(shí)用異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝與維修.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.