胡曉慶 焦振洋 劉可夫

摘 要：現(xiàn)階段，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也越來(lái)越迅速。公司供水泵站是鋼鐵廠(chǎng)水源的供水設(shè)施，采用恒壓變頻供水。原水供水泵電機(jī)功率220kW，電壓等級(jí)690V，啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)。根據(jù)供水管網(wǎng)壓力實(shí)現(xiàn)恒壓供水。供水泵電機(jī)采用變頻電機(jī)YPT355M1-4，轉(zhuǎn)速1489r/min。投產(chǎn)后電機(jī)前后軸承頻繁發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)溫，電機(jī)機(jī)身溫度在53℃，軸承溫度在75℃。電流給定正常，沒(méi)有波動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，由于生產(chǎn)需要，只能添加軸流風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行散熱后，利用檢修期間，通過(guò)解體檢查，油脂正常，并未出現(xiàn)添加過(guò)量、缺失、融化或變質(zhì)現(xiàn)象，通過(guò)清洗軸承，發(fā)現(xiàn)前后軸承滾道內(nèi)有不同程度的魚(yú)鱗紋損傷，滾珠表面也有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，此類(lèi)故障頻發(fā)，對(duì)供水系統(tǒng)的正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。針對(duì)此類(lèi)故障，組織技術(shù)人員對(duì)電機(jī)及軸承進(jìn)行解體、研究、分析、總結(jié)，以便分析故障。并針對(duì)其故障現(xiàn)象研究處理方法，避免此類(lèi)頻發(fā)故障，減少備件及維護(hù)成本，以便做到預(yù)判及提前處理，增加設(shè)備運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：變頻電機(jī)；軸承電蝕現(xiàn)象分析；處理方法

1 軸承故障現(xiàn)象分析

通過(guò)解體檢查，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用的普通的6224滾珠軸承外滑道上有明顯的魚(yú)鱗紋損傷，并且轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，滾珠與滾道摩擦力變大，檢查發(fā)現(xiàn)滾珠體表面也有點(diǎn)蝕的現(xiàn)象。通過(guò)拆解2臺(tái)電機(jī)4套軸承，都有同樣的現(xiàn)象，并且對(duì)油脂及加油量進(jìn)行考量，未出現(xiàn)油脂添加過(guò)量、缺失、融化或變質(zhì)現(xiàn)象。通過(guò)現(xiàn)象分析，懷疑是有軸電流的產(chǎn)生，軸電流對(duì)軸承作用產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象。

2 原理分析

由于變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)與普通電機(jī)設(shè)計(jì)是有區(qū)別的，對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，電磁設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮電機(jī)的過(guò)載及過(guò)負(fù)荷能力、啟動(dòng)效率和功率因數(shù)。而變頻電動(dòng)機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率與電源頻率有關(guān)，反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時(shí)直接啟動(dòng)，因此，過(guò)載能力和啟動(dòng)效率不需要過(guò)多考慮，而需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何改善電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力，也就是說(shuō)要對(duì)磁路不平衡有解決措施。同理對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也應(yīng)該考慮到非正弦波電源對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲冷卻方式等方面的影響，特別是消除軸電流的影響，電機(jī)軸電流的產(chǎn)生是因?yàn)樵陔姍C(jī)的軸、軸承、軸承套、端蓋和機(jī)座所組成的磁回路中，由于隨時(shí)間變化產(chǎn)生交變的磁通，在軸上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)電流流經(jīng)軸承時(shí)形成電蝕現(xiàn)象。軸電流的產(chǎn)生要有兩個(gè)條件：（1）產(chǎn)生交變的磁通，在軸上產(chǎn)出不平衡電動(dòng)勢(shì)。（2）要有閉合回路，相當(dāng)于閉合的通道，有軸電流流經(jīng)的閉合回路。供水泵電機(jī)為變頻電機(jī)，變頻電機(jī)在投入運(yùn)行后，電源為交變的非正弦波，極易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，只要構(gòu)成回路，就會(huì)產(chǎn)生軸電流，當(dāng)變頻器產(chǎn)生的高頻分量與產(chǎn)生的軸電流結(jié)合在一起產(chǎn)生疊加作用時(shí)，軸電流將大大增加，從而導(dǎo)致軸承滾珠與滑道損壞，產(chǎn)生電腐蝕現(xiàn)象，而軸承產(chǎn)生電腐蝕的明顯特征就是軸承外圈滑道磨出類(lèi)似魚(yú)鱗狀的軸向階梯劃痕，軸承內(nèi)套及滾珠表面出現(xiàn)電灼傷產(chǎn)生點(diǎn)狀微孔，也就是電流通過(guò)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)軸承產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。此種現(xiàn)象加速軸承損壞，致使軸承發(fā)熱，甚至聲音異常、振動(dòng)增大。

3 處理方法

通過(guò)分析，明確了軸承發(fā)熱的原因，針對(duì)其原因制定整改措施及應(yīng)對(duì)辦法。供水泵電機(jī)為變頻電機(jī)，軸承應(yīng)用的是普通6224軸承，變頻產(chǎn)生交變的磁通，極易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，普通軸承，可構(gòu)成電流回路，一般220kW的變頻電機(jī)都有防止軸電流的措施，一種方法是在電機(jī)的軸承部位采用絕緣軸承來(lái)阻斷軸電流的回路，使其不能閉合，形成不了通路，從而達(dá)到保護(hù)軸承的目的。另一種方法就是對(duì)大型電機(jī)兩端軸承采用碳刷接地，即在前軸承（負(fù)荷側(cè)）增加一對(duì)刷握和接地碳刷，接地碳刷接地必須直接接地，接地點(diǎn)必須牢固、可靠，使軸電流不經(jīng)過(guò)軸承直接流入接地點(diǎn)，避免在軸承上產(chǎn)生電腐蝕。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)分布，更換絕緣軸承，備件周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，因其工期緊，所以準(zhǔn)備通過(guò)增加接地碳刷的方法來(lái)解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，我們?cè)?#、6#變頻供水泵上各增加一對(duì)刷握和接地碳刷，即在電機(jī)前端（負(fù)荷側(cè)）增加一對(duì)刷握，將碳刷安裝在前軸上，碳刷接地引出線(xiàn)接于電機(jī)外殼也就是電機(jī)軸承外殼上，通過(guò)電機(jī)外殼直接與電機(jī)外殼本體直接接地點(diǎn)可靠連接，測(cè)量其接地電阻，接地電阻小于4Ω。通過(guò)增加接地碳刷來(lái)進(jìn)行消除軸電流方法，進(jìn)而對(duì)電機(jī)過(guò)熱進(jìn)行了保護(hù)。電機(jī)投入運(yùn)行，運(yùn)行周期3個(gè)月，通過(guò)監(jiān)測(cè)供水泵電機(jī)前后軸承溫度，溫度有了明顯的降低，前后軸承維持在54℃以下穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)過(guò)電機(jī)軸承過(guò)熱現(xiàn)象。同時(shí)3個(gè)月后對(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行解體清洗檢查，未發(fā)現(xiàn)前期軸承內(nèi)套、滾珠及外圈滑道損壞的跡象，效果明顯。后期也將采用更換絕緣軸承的方法來(lái)隔斷其軸電流的流通回路，達(dá)到安全運(yùn)行的效果。

4 電流損傷的解決措施

雖然有許多技術(shù)可以用來(lái)保護(hù)交流電機(jī)的軸承，但很少有方案可以同時(shí)滿(mǎn)足高效力、低成本、應(yīng)用范圍廣等要求。例如：法拉第屏蔽、絕緣結(jié)構(gòu)、陶瓷軸承、導(dǎo)電潤(rùn)滑脂、接地碳刷等。這些技術(shù)都或多或少存在著成本高、易磨損、易污染等情況，因此很少被行業(yè)采用。本文根據(jù)上述對(duì)軸承電流對(duì)軸承電氣損傷的分析，提出了全新的解決方法。

4.1 絕緣軸承

軸承絕緣可以阻斷放電回路，軸電流無(wú)法通過(guò)軸承流向電機(jī)外殼和接地，從而保護(hù)軸承。但有時(shí)，由于陶瓷絕緣材料的電容效應(yīng)，高頻感應(yīng)電流會(huì)穿過(guò)絕緣層，并導(dǎo)致軸承失效。同時(shí)，如果電機(jī)連接了負(fù)載，軸電流可能通過(guò)負(fù)載的軸承放電，造成負(fù)載的軸承故障。除此以外，軸承絕緣或其他軸承隔離的方案實(shí)施起來(lái)成本也較高。

4.2 建立放電旁路

建立有效的放電旁路電路有時(shí)比軸承絕緣效果更好，因?yàn)楸绕鹱钄噍S電流回路，這個(gè)方案可以有效地將軸電流導(dǎo)走。這種理想的解決方案提供一個(gè)從電機(jī)軸到外殼/設(shè)備接地之間非常低阻抗的回路，這種方案實(shí)施起來(lái)成本較低，可為變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)和交流電機(jī)提供最大程度的軸承保護(hù)，是性?xún)r(jià)比較高的方案。

4.3 安裝導(dǎo)電環(huán)

導(dǎo)電環(huán)的材質(zhì)要求機(jī)械強(qiáng)度大，360°全方位接觸軸承，并是電的良導(dǎo)體，還要具有耐腐蝕性，抗油污和粉塵，在與電刷滑動(dòng)接觸時(shí)，必須具備耐磨性和穩(wěn)定的滑動(dòng)接觸特性。一般來(lái)說(shuō)，鋼質(zhì)集電環(huán)的耐磨性好，機(jī)械強(qiáng)度大。軸承導(dǎo)電環(huán)方案通過(guò)在一個(gè)金屬環(huán)上增加一圈超細(xì)耐磨的導(dǎo)電纖維，在電機(jī)軸和電機(jī)外殼/設(shè)備接地間建立一個(gè)阻抗低、可靠性高的放電旁路，可有效導(dǎo)走軸電流，保護(hù)電機(jī)軸承。這種方案通過(guò)使用電子傳輸技術(shù)，加快電子傳輸速率，極大地提高了高頻軸電流釋放的效率。通過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)電流釋放回路，導(dǎo)電環(huán)將軸電流成功繞過(guò)軸承導(dǎo)向設(shè)備接地。導(dǎo)電環(huán)是一個(gè)低成本、免維護(hù)，免清洗、效率和可靠性高的解決方案，適用于所有變頻驅(qū)動(dòng)的電機(jī)和交流電機(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

軸承的故障類(lèi)型很多，總結(jié)分析，通過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，有效開(kāi)拓了看問(wèn)題的思路。軸承故障不能片面，要從機(jī)械角度、電機(jī)結(jié)構(gòu)原理全面進(jìn)行分析、總結(jié)。

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