齒輪泵減速箱輸入軸承損壞分析

宋 武

（洛陽石化聚丙烯有限責任公司，河南洛陽 471012）

齒輪泵減速箱輸入軸承損壞分析

宋 武

（洛陽石化聚丙烯有限責任公司，河南洛陽 471012）

介紹了齒輪泵減速箱輸入端軸承異常損壞的原因，分析了軸承損壞的具體細節以及軸電流產生的原因，闡述了軸電流導致軸承失效的先期檢測分析方法，并從電機本身角度出發，介紹了防止變頻電動機軸電流危害的措施。

軸電流；軸承；搓板狀；變頻調速器

1 系統簡介

洛陽石化分公司聚丙烯造粒裝置設計最大負荷8.5 t/h，其中的關鍵機組為樹脂增壓齒輪泵（設備位號：Z501/02；型號：GP280T；輸出轉速：100～1000 r/min）由日本制鋼所制造，其驅動系統主要包括驅動電機及變頻調速器。驅動電機產地，意大利；型號，B2C 400LW6；功率，270 kW，變頻調速器型號：德國西門子HIC-315-380；功率，315 kW。電動機軸伸端軸承（型號為NU322-C3）和自由端軸承（型號為7222B6+7222BG），電動機轉子軸上部安裝一個巨大的風扇，靜子圓周設有通風散熱槽。

2 存在問題

從裝置投產到2003年電動機運行狀況良好。但此后運行狀況逐步變差，檢修后的電動機，在運行一段時間后出現異常聲音，且聲音逐步增大，不得不更換電動機前后軸承。據統計，電動機1998年檢修1次，2005年1次，2006年2次，2007年1次，2008年2次。電動機運行周期越來越短，造成檢修工作量劇增。更為嚴重的是齒輪泵減速箱輸入端軸承總是發生異常損壞，從2006年至2008年每年都要檢修1次，拆卸后發現軸承間隙嚴重超標，軸承內套露出大面積搓板狀磨損，軸承間隙超差5倍以上，并導致對中超差3倍，影響到公司造粒機組的安全穩定長期運行。每次更換齒輪泵減速箱輸入端軸承，檢修大約需要停工15 h，直接經濟損失約30萬元，嚴重影響了公司的經濟效益。

3 原因分析

經分析，認為齒輪泵減速箱輸入端軸承受損的根源為軸電流所致。電機磁通脈動造成軸電壓累積，軸承內油膜由于電壓擊穿形成軸電流，軸電流持續不斷地通過聯軸器，對減速箱輸入端軸承內圈放電，導致軸承滾道產生麻點，這種損害不斷擴大，在滾道上形成搓板狀的傷痕。此時，減速箱輸入端的異常噪音非常明顯，最終被迫更換軸承。此外由于減速箱的多次檢修，安裝間隙不斷加大從而加劇了軸承的損壞。

在電動機運行過程中，如果在電機兩軸承端或轉軸與軸承間存在軸電流時，將會大大縮短電機軸承或與之相連接的一級齒輪軸承的使用壽命，嚴重時只能運行500 h。軸電壓、軸電流的產生原因如下：

3.1 磁不平衡產生軸電壓

交流異步電動機在正弦交變的電壓下運行時，其轉子處在正弦交變的磁場中。由于電動機定轉子扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風孔等的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。當電動機的定子鐵芯圓周方向上的磁阻發生不平衡時，產生與軸相交鏈的交變磁通，從而產生交變電勢。當電動機轉動即磁極旋轉，通過各磁極的磁通發生了變化，在軸的兩端感應出軸電壓，產生了與軸相交鏈的磁通。隨著磁極的旋轉，與軸兩側的軸承形成閉合回路，就產生了軸電流。一般情況下這種軸電壓大約為1～2 V。

3.2 變頻器驅動產生軸電壓

電動機采用變頻器驅動運行時，供電電壓含有高次諧波分量，使定子繞組線圈端部、接線部分、轉軸之間產生電磁感應從而產生軸電壓。

異步電動機的定子繞組是嵌入定子鐵芯槽內的，定子繞組的匝間以及定子繞組和電動機機座之間均存在分布電容，當通用變頻器在高載頻下運行時，逆變器的共模電壓產生急劇變化，會通過電動機繞組的分布電容由電動機的外殼到接地端之間形成漏電流。該漏電流有可能形成放射性和傳導性兩類電磁干擾。而由于電動機磁路的不平衡，靜電感應和共模電壓產生又是產生軸電壓和軸電流的起因。當定子繞組輸入端突加陡峭變化的電壓時，由于分布電容的影響，繞組各點電壓分布不均，使輸入端繞組接近端口部分電壓高度集中而引起絕緣破壞或老化。這種現象一般破壞的部分是定子繞組，電壓常集中于侵入的端點部位。此外，由于繞組的電抗較大，輸入電壓的高頻分量將集中于輸入端點附近的分布電容上，通過配電線、繞組、機殼間的分布電容到接地線流通電流，形成一個LC串聯諧振電路，當其中產生高頻諧振電流時，就會產生各式各樣的故障。

一般通用變頻器驅動容量較小的異步電動機時，軸電壓的問題可以不考慮，聚丙烯造粒裝置齒輪泵電機功率為270 kW，驅動方式采用的就是變頻調速形式（型號：德國西門子HIC-315-380；功率：315 kW），使用超過200 kW的電動機時，尤其是進行變頻器調速的場合，最好能夠用儀器確認軸電壓的大小，以便及早采取預防措施。

3.3 靜電感應產生軸電壓

在電動機運行現場，由于高壓設備強電場的作用，在轉軸的兩端感應出軸電壓。

3.4 靜電荷

電動機在運行過程中，負載方面的流體與轉體運行磨擦而在旋轉體上產生靜電荷，電荷逐漸積累便產生軸電壓。由這種情況產生的軸電壓和由磁交變產生的軸電壓在原理上是不同的。靜電荷產生的軸電壓是間歇的，并且是非同期性的，其大小與運轉狀態、流體的狀態等因素關系很大。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，就產生軸電流。

3.5 外部原因

外部電源的介入產生軸電壓。由于運行現場接線比較繁雜，尤其大電機保護、測量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉軸上，便會產生軸電壓。

由上分析，電動機的軸電壓、軸電流是由于環境電動機軸的磁路不對稱、轉子運轉不同心、感受生脈動磁通等原因產生的。它會使軸—軸承—機座的回路有軸電流流通，在電動機轉子軸兩端、軸與軸承之間、軸與軸承對地形成軸電壓。根據軸承的種類不同，其耐壓程度有所不同，若超過軸承所允許的值，會通過油膜放電或者導電，在軸瓦和軸承處產生點狀微孔，并在底部產生發黑現象。嚴重時會使軸和軸承受到損壞，運行中伴隨著強烈的噪聲及設備外殼帶電等。

4 電動機軸電流的危害

正常情況下，轉軸與軸承間的潤滑油膜起到絕緣的作用。對于較低的軸電壓，不會產生軸電流。當軸電壓增加到一定數值時，尤其在潤滑油膜還未穩定形成時，軸電壓將擊穿油膜構成回路，產生相當大的軸電流，可達到幾百安甚至上千安。由于該金屬接觸面很小，電流密度大，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。通常表現出來的癥狀是軸承內表面被壓出條狀電弧傷痕，嚴重時足以把軸頸和軸瓦燒壞。

由運行摩擦在軸上產生的靜電荷，使軸的電位因被充電而升高。當運轉的軸接觸到旋轉體以外的任何部件時，便通過該部件進行放電。否則就要繼續積累電荷，最后產生過高的電壓，如果超過軸承油膜的絕緣強度時，電荷在極短的時間內放電。這種現象重復發生的結果，就能使軸受到損傷。

我公司齒輪泵減速箱輸入端軸承運行周期縮短，軸承受損現象不同于軸承的正常磨損，而是屬于某種物質對軸面進行局部的腐蝕。從腐蝕的情況來看屬于點腐蝕，斑點面積最大的達到8 mm2，深度達到0.5 mm。從形成搓板狀的傷痕來看，是非常典型的電蝕現象，齒輪泵減速箱輸入端的軸承運轉噪音逐漸增大，只得更換軸承。經過現場分析，排除了機械損傷和化學腐蝕的因素，最后確定為軸電流所致。

5 防止軸電流產生的措施

5.1 安裝接地碳刷

在軸端安裝接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且與轉軸可靠接觸，保證轉軸電位為零電位，隨時將電機軸上的靜電荷引向大地，以此消除軸電流。我公司在齒輪泵電機聯軸器處安裝滑刷接地裝置后，上述問題得到解決，近一年內未再次更換齒輪泵減速箱輸入端軸承。

5.2 絕緣措施

為防止磁不平衡等原因產生軸電流，在非軸伸端的軸承座和軸承支架處加絕緣隔板，或者定做絕緣聯軸器，切斷軸電流的回路。

要求檢修運行人員細致檢查并加強導線或墊片絕緣。在機座中除一個軸承座外，其余軸承座及包括所有裝在其上的儀表外殼等金屬部件都對地絕緣，不絕緣的軸承應裝接地電刷以防靜電充電。對于由軸交鏈交變磁通所產生的軸電壓，可在電動機一側的軸承座下加絕緣墊以割斷軸與軸瓦之間形成的回路，使軸電流無法產生。但在實際工作中對絕緣墊的作用認識不清，從絕緣墊加裝的方法和軸承座與油管道的連接上都不同程度地出現過問題，最后造成絕緣墊起不到絕緣作用，進而形成軸電流。所以我們要經常檢查軸承座的絕緣強度，用500V搖表測量，絕緣不得低于0.5 M。

5.3 保證油膜的絕緣強度

保持軸與軸承之間潤滑絕緣介質油的純度，發現油中帶水必須進行過濾處理，否則油膜的絕緣強度不能滿足要求，容易被低電壓擊穿。

6 結語

一般通過以上處理，電動機的軸電流微乎其微，對電動機構不成實質危害。現場實踐證明，改進后的運行周期明顯延長，解決了齒輪泵減速箱輸入端軸承壽命短的問題。通過長時間的穩定運行，證明這種方法對防治大型交流異步電動機軸電流的危害是合理可行的。

TQ056.2

B

1003-3467（2010）13-0055-03

2010-04-22

宋 武（1972-），男，工程師，從事設備管理與維修工作，電話：（0379）66992860。