沈蔚
（中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司公用事業(yè)部）

　　【摘　要】針對(duì)同一臺(tái)高壓交流電動(dòng)機(jī)反復(fù)出現(xiàn)軸承故障的現(xiàn)象，分析闡述了交流電動(dòng)機(jī)內(nèi)外部軸電壓產(chǎn)生的原因，由于軸電壓構(gòu)成的回路電阻很小，以致很小的軸電壓便會(huì)產(chǎn)生很大的軸電流。根據(jù)軸電流對(duì)軸承破壞的共同特征，對(duì)軸電流造成軸承損傷的機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合電動(dòng)機(jī)檢修管理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了軸電流的防止措施和設(shè)防建議措施。
　　關(guān)鍵詞：交流電動(dòng)機(jī)；軸承損傷；軸電流；分析；措施

　　由于高壓交流電動(dòng)機(jī)的磁路磁場(chǎng)不對(duì)稱、漏磁、剩磁、軸向磁阻變化和外部靜電感應(yīng)、外部電源介入等原因，運(yùn)行中的交流高壓電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生軸電流。而軸電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的軸承和軸瓦造成嚴(yán)重?fù)p傷，出現(xiàn)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使軸承燒損，而軸承或軸瓦損壞及更換帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失也不可低估。因此必須高度重視和防范交流高壓電動(dòng)機(jī)的軸電流問題。
　　某企業(yè)E-GA120B急冷油循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)由日本富士公司于1997年4月制造，為560kW，4極6kV的增安型電動(dòng)機(jī)，其軸伸端軸承為6226C3和NU226MC3，非軸伸端軸承為NU226MC3。該電動(dòng)機(jī)投用以來(lái)一直運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但在2011年1月5日因電機(jī)非負(fù)荷端的冷卻進(jìn)風(fēng)口(下進(jìn)風(fēng)口)被保溫塑料薄膜吸堵，引起軸伸端軸承超溫運(yùn)行，造成軸伸端軸承抱軸故障，同時(shí)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷側(cè)定轉(zhuǎn)子的部分掃膛，經(jīng)搶修后投入正常運(yùn)行。運(yùn)行3個(gè)月左右，該電動(dòng)機(jī)軸承狀態(tài)沖擊脈沖(SPM)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯惡化，當(dāng)時(shí)懷疑軸承質(zhì)量有問題，不得已安排更換軸承并再次投入運(yùn)行。但2011年10月該電動(dòng)機(jī)軸承狀態(tài)SPM監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)再次惡化，經(jīng)對(duì)檢修拆解軸承的觀察分析，發(fā)現(xiàn)NU226MC3軸承內(nèi)圈有明顯的搓板樣條形燒傷痕跡，判斷為軸電流引起的軸承燒損故障。為此采取防止產(chǎn)生軸電流的措施，在非負(fù)荷端改用SKF絕緣軸承，之后該電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行至2015年12月，才因負(fù)荷端軸承保持架突然疲勞故障安排了檢修。期間SPM軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍保持良好狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)軸承的正常運(yùn)行壽命得到了保證和延長(zhǎng)。

　　1　電動(dòng)機(jī)軸承損傷原因分析
　　交流電動(dòng)機(jī)是在正弦交變的電壓下運(yùn)行的，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是在正弦交變的磁場(chǎng)中運(yùn)行。由于存在扇形沖片與極對(duì)數(shù)關(guān)系不正確，硅鋼片鐵芯材料的方向性等疊加因素，鐵芯槽、通風(fēng)孔等存在剩余磁通等問題，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁路中產(chǎn)生不平衡的磁阻，電動(dòng)機(jī)中便產(chǎn)生與軸相交鏈的交變磁通，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。該電壓是沿軸向產(chǎn)生的，如果與軸兩側(cè)的軸承直接接觸形成閉合回路，將有軸電流產(chǎn)生。
　　幾乎所有的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)或多或少都會(huì)產(chǎn)生某種水平的軸電壓，除了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部因磁路中磁阻不平衡產(chǎn)生的軸電壓外，還有外部原因諸如逆變電源供電運(yùn)行產(chǎn)生的、靜電感應(yīng)產(chǎn)生的、外部測(cè)控元件電源的介入產(chǎn)生的以及負(fù)載方面的流體與旋轉(zhuǎn)體相互間的摩擦而在旋轉(zhuǎn)體形成靜電荷積累產(chǎn)生的軸電壓。只要軸電壓高于某一特定水平，就是一種故障隱患^[1]。電動(dòng)機(jī)所容許的軸電壓、軸電流的大小與軸承類型、運(yùn)行狀態(tài)、潤(rùn)滑油質(zhì)、轉(zhuǎn)速、安裝質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境和軸電流流經(jīng)路徑的阻抗等許多因素有關(guān)。相對(duì)于滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承由于滾珠(滾柱)與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸面積更小，電流密度更大，對(duì)軸電流的敏感度比滑動(dòng)軸承更大，凡有軸電流的電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)軸硬度及機(jī)械強(qiáng)度比軸承燒熔合金的高，通常表現(xiàn)出來(lái)的癥狀是軸承內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕，于是在軸承內(nèi)表面形成凹坑或凹槽。拆下滾動(dòng)軸承檢查，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈滾道上有像洗衣搓板樣的條形損傷痕跡，這是軸電流對(duì)滾動(dòng)軸承破壞的共同特征^[2]。此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在滾珠或滾柱在碾壓接觸的地方接觸電阻很小，并將潤(rùn)滑油脂擠向兩側(cè)，當(dāng)滾動(dòng)體將要離開原位置時(shí)，產(chǎn)生小間隙，此時(shí)就有放電現(xiàn)象產(chǎn)生，將跑道燒成條狀痕跡；線條的個(gè)數(shù)與軸電流頻率、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和軸承內(nèi)狀況有關(guān)。
　　軸電流對(duì)滾動(dòng)軸承造成的危害主要體現(xiàn)在以下幾方面：
　　(1)由于電弧放電和電離，電動(dòng)機(jī)軸承內(nèi)的潤(rùn)滑劑劣化加速，導(dǎo)致潤(rùn)滑性能和介電強(qiáng)度降低；
　　(2)軸電流在轉(zhuǎn)軸和軸承內(nèi)表面將產(chǎn)生許多電蝕點(diǎn)，破壞了軸承與轉(zhuǎn)軸的良好配合，破壞油膜形成條件；
　　(3)軸承運(yùn)行溫度升高，噪聲和振動(dòng)加劇，甚至伴有潤(rùn)滑油脂流出；
　　(4)過大的軸電流密度甚至?xí)斐蓢?yán)重的灼傷，在軸承滾道表面形成不可逆的麻點(diǎn)(凹坑)和凹槽；
　　(5)在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，過大的軸電流產(chǎn)生的過熱或火花，將可能引發(fā)爆炸等惡性事故。
　　一般通過滾動(dòng)軸承的Z大電流密度不得超過1.5A/mm²，否則軸承性能將嚴(yán)重惡化，損害輕微的可運(yùn)行上千小時(shí)，嚴(yán)重的甚至只能運(yùn)行幾小時(shí)，給現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的影響。美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)編寫的NEMAMG1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，按IEEE112《多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，給出了不同軸電壓、軸電流水平對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承造成的影響，通常以表1和表2所示規(guī)定作為電動(dòng)機(jī)軸電壓和軸電流的參考^[1-2]。

表1 軸電壓對(duì)軸承的影響

 

表2 軸電流對(duì)軸承的影響

　　根據(jù)表1和表2的參考限值：對(duì)于滑動(dòng)軸承，軸電壓小于0.5V，軸電流小于10A，基本無(wú)燒蝕，可滿足正常穩(wěn)定運(yùn)行；而對(duì)于滾動(dòng)軸承，軸電壓小于0.3V，軸電流小于1A，一般滾動(dòng)軸承才能滿足正常穩(wěn)定運(yùn)行。

　　E-GA120B電動(dòng)機(jī)次故障運(yùn)行前后，其運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行條件均沒有任何變化，可以判明不存在外部原因引起軸電流的可能，因此只能從電動(dòng)機(jī)本身尋找原因。該電動(dòng)機(jī)故障前運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)正常，說(shuō)明設(shè)計(jì)制造時(shí)，磁路磁場(chǎng)對(duì)稱性控制很好，軸電壓和軸電流滿足正常運(yùn)行要求。而當(dāng)該電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)抱軸和負(fù)荷側(cè)部分掃膛故障后，電動(dòng)機(jī)磁路磁場(chǎng)的對(duì)稱性遭到破壞，導(dǎo)致磁阻不平衡(檢修后仍存在硅鋼片粘連，使得磁性材料定向?qū)傩园l(fā)生變化以及氣隙不均勻等現(xiàn)象)，產(chǎn)生超出正常運(yùn)行要求的軸電壓。又由于該電動(dòng)機(jī)在阻斷軸電流方面沒有采取任何設(shè)防措施，使得電動(dòng)機(jī)前后軸承內(nèi)外圈、軸承室、機(jī)座形成了閉合回路，于是產(chǎn)生了超出正常運(yùn)行要求的軸電流，加劇了軸承的損傷，縮短了軸承使用壽命。
　　對(duì)有害的軸電壓和軸電流可通過兩種方法來(lái)判別^[1]：一是通過電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)檢測(cè)軸電壓的方式；二是通過觀察拆解下來(lái)的故障滾動(dòng)軸承來(lái)判別，凡是軸電流引起的燒傷，在拆除軸承檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對(duì)滾動(dòng)軸承破壞的共同特征。根據(jù)以上分析，該電動(dòng)機(jī)軸承頻繁故障的真正原因是軸承抱軸故障引起定轉(zhuǎn)子部分掃膛，造成電動(dòng)機(jī)磁路磁阻不平衡而產(chǎn)生的有害軸電流所致。

　　2　防止電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生軸電流的措施
　　軸電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)是沒有損害的，只有形成軸電流才會(huì)對(duì)軸承和轉(zhuǎn)軸造成破壞，軸電流的形成需要同時(shí)具備兩個(gè)條件：一是軸承內(nèi)圈和軸承外圈、軸承室、機(jī)座形成一個(gè)閉合回路；二是軸承的內(nèi)圈和外圈之間存在電位差，即軸電壓。上述兩個(gè)條件只要有一個(gè)不具備，就不會(huì)產(chǎn)生軸電流。
　　實(shí)際制造、使用、檢修過程中，通常采取的防止措施：一是阻斷形成軸電流的閉合回路；二是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝旁路電刷。在阻斷形成軸電流的閉合回路方面，可采取的途徑和方法有：
　　(1)在電動(dòng)機(jī)非負(fù)荷端直接采用絕緣軸承，此方法簡(jiǎn)單、有效、可靠，缺點(diǎn)是訂貨周期長(zhǎng)，軸承更換費(fèi)用高，可通過有效的管理來(lái)克服(如加強(qiáng)與軸承供應(yīng)商的聯(lián)系，落實(shí)庫(kù)存?zhèn)浼捅９艽胧┑?。
　　(2)在電動(dòng)機(jī)非負(fù)荷端采用絕緣軸承室，軸承室是一個(gè)帶絕緣層的載體，可通過對(duì)軸承室內(nèi)表面和端面用等離子均勻噴涂50～100μm高性能耐熱陶瓷絕緣層，也可在端蓋軸承室嵌入隔套，套與端蓋間夾墊絕緣層，相應(yīng)緊固內(nèi)外蓋的螺栓加絕緣套管和絕緣墊等措施。絕緣軸承室也有缺點(diǎn):一是結(jié)構(gòu)和工藝都相對(duì)復(fù)雜，絕緣層的制作需要專業(yè)廠家完成；二是電動(dòng)機(jī)反復(fù)檢修容易損傷絕緣層，此類事故在同企業(yè)另一臺(tái)B-GB1101隔爆型860kW四極進(jìn)口電動(dòng)機(jī)的檢修過程中曾有發(fā)生，Z后通過更換絕緣軸承得以解決；三是防爆電動(dòng)機(jī)檢修中需要設(shè)防時(shí)，因結(jié)構(gòu)工藝的改變，其防爆性能難以保證。
　　(3)對(duì)于滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，通常的方法是在固定軸承部位加墊環(huán)氧玻璃布板，并緊固螺栓加絕緣套管和絕緣墊，進(jìn)出油路的管道加絕緣管接頭等設(shè)防措施。
　　(4)在某些情況下，為了與負(fù)載機(jī)械保持開路，還必須采用一些特殊的預(yù)防措施，如直接聯(lián)接到電動(dòng)機(jī)的聯(lián)軸器要采取絕緣措施，各類檢測(cè)、控制設(shè)備均要采取絕緣措施。
　　關(guān)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝旁路電刷，其原理是破壞軸電流形成的第二個(gè)條件，消除軸承內(nèi)外圈之間的電位差，缺點(diǎn)是不適宜爆炸危險(xiǎn)區(qū)域使用，僅適用于由靜電引起軸電壓的消除。
　　在本案中，電動(dòng)機(jī)軸電流的產(chǎn)生是由電動(dòng)機(jī)內(nèi)部引起的，根據(jù)上述防止軸電流的措施，結(jié)合實(shí)際使用、檢修的可行性，決定對(duì)該交流高壓電動(dòng)機(jī)非負(fù)荷端的軸承直接改用絕緣軸承，以阻斷軸電流的閉合回路，從而消除軸電流對(duì)軸承的損傷。
　　通過采取以上阻斷軸電流的解決措施，該電動(dòng)機(jī)軸承可正常運(yùn)行4年有余，減少了因頻繁更換軸承帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。

　　3　結(jié)語(yǔ)
　　在使用滾動(dòng)軸承的交流高壓電動(dòng)機(jī)的檢修管理中，一旦發(fā)生軸承損壞和定轉(zhuǎn)子掃膛，在檢修中應(yīng)特別注意軸承表面痕跡。凡是軸電流引起的軸承燒傷，都會(huì)在軸承內(nèi)外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對(duì)軸承破壞的共同特征?；蛘咴跈z修和試驗(yàn)時(shí)，建議檢測(cè)交流高壓電動(dòng)機(jī)軸兩端的軸電壓，并按是否大于300mV的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)防。對(duì)于在防爆危險(xiǎn)環(huán)境中使用的交流高壓電動(dòng)機(jī)，只能采取阻斷軸電流回路的方法，主張?jiān)诜秦?fù)荷端直接改用絕緣軸承的方法來(lái)阻斷軸電流?？傊瑸闇p少軸電流的危害，要根據(jù)供電的品質(zhì)、電動(dòng)機(jī)大小、運(yùn)行環(huán)境、軸承類型以及軸電壓大小等具體情況，采取相應(yīng)有效可行的措施，延長(zhǎng)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。

本文轉(zhuǎn)自《石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)》2016年01期