電機(jī)軸電流分析與齒輪箱軸電流防范

花成剛，張本練

（安徽馬鋼設(shè)備檢修工程有限責(zé)任公司，安徽馬鞍山243000）

電機(jī)軸電流分析與齒輪箱軸電流防范

花成剛，張本練

（安徽馬鋼設(shè)備檢修工程有限責(zé)任公司，安徽馬鞍山243000）

介紹了軸電流產(chǎn)生的原因和解決方案。對(duì)馬鋼高速線材16#預(yù)精軋機(jī)案例進(jìn)行了分析。實(shí)踐證明，軸電流不僅影響電機(jī)軸承，更會(huì)造成軋機(jī)齒輪箱軸承損傷。

電機(jī)；軸電流；診斷；齒輪箱；防范

1 前言

在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，如果在電動(dòng)機(jī)兩端軸承或與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連的軸承間有軸電流的存在，那么對(duì)于電機(jī)、齒輪箱軸承的使用壽命將會(huì)大大縮短。由于轉(zhuǎn)子帶電引起軸電流并造成機(jī)器元件損傷的情況，較早出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)組，故一般把軸電流形成的原因與電磁效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。隨著大型石油、化工裝置，特別是高速軋機(jī)機(jī)組的應(yīng)用，軸電流影響軋機(jī)機(jī)組長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的問(wèn)題越來(lái)越突出。輕微的損傷，電機(jī)和軸承可能只能運(yùn)行一千小時(shí)左右，嚴(yán)重的甚至只能運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)，給現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的影響。同時(shí)由于軸承損壞及更換帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失也不可小計(jì)。

2 軸電壓和軸電流的產(chǎn)生

軸電壓是電動(dòng)機(jī)兩軸承端或電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓，其產(chǎn)生原因一般有以下幾種：

2.1 磁不平衡、不對(duì)稱產(chǎn)生軸電壓

電動(dòng)機(jī)由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風(fēng)孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在轉(zhuǎn)軸的周圍有交變磁通切割轉(zhuǎn)軸，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓（解決方案：A.磁場(chǎng)對(duì)稱；B.在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端使用絕緣軸承）。

2.2 逆變供電產(chǎn)生軸電壓

電動(dòng)機(jī)采用逆變供電運(yùn)行時(shí)，由于電源電壓含有較高次的諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)，使轉(zhuǎn)軸的電位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生軸電壓。

圖1 由于磁場(chǎng)不平衡導(dǎo)致過(guò)電流(循環(huán)電流)

2.3 靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)周圍有較多的高壓設(shè)備，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，在轉(zhuǎn)軸的兩端感應(yīng)出軸電壓（解決方案：A.d U/d t濾波；B.繞組和轉(zhuǎn)子間屏蔽；C.兩端軸承均需絕緣；D.轉(zhuǎn)子接地）。

2.4 磁化效應(yīng)產(chǎn)生軸電流

對(duì)于電機(jī)類轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生軸電流的原因主要有磁力線分布的不對(duì)稱效應(yīng)以及轉(zhuǎn)軸的磁化效應(yīng)。磁力線分布不對(duì)稱通常是由于疊片層的不對(duì)稱的間隙引起的。除電機(jī)類轉(zhuǎn)子外，其他設(shè)備也會(huì)因軸的磁化效應(yīng)而產(chǎn)生軸電流。

軸的磁化效應(yīng)是轉(zhuǎn)軸由于各種原因而帶有磁性，例如轉(zhuǎn)子存在不平衡電流繞組使轉(zhuǎn)軸磁化，焊接、摩擦、碰撞以及電渦流裝置均可能使設(shè)備帶有磁性，并建立起磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割導(dǎo)體，會(huì)在這些零件內(nèi)感應(yīng)起一定電位，當(dāng)電位升高到足以擊穿油膜時(shí)，就形成電流回路。這種電流回路可能穿過(guò)整個(gè)轉(zhuǎn)子，也可能僅在軸承中或浮環(huán)密封中形成局部的短路電流，軸承或浮環(huán)中的短路電流又會(huì)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，磁化轉(zhuǎn)軸或其他零件。因此，這種磁電相互轉(zhuǎn)換，會(huì)在機(jī)組內(nèi)形成很強(qiáng)的磁場(chǎng)，并出現(xiàn)很高的電流（解決方案：A.合適的電纜；B.信號(hào)d U/d t濾波；C.非驅(qū)動(dòng)端使用絕緣軸承隔斷循環(huán)電流）。

圖2 由于磁場(chǎng)不對(duì)稱導(dǎo)致過(guò)電流(循環(huán)電流)

2.5 其他原因

如靜電荷的積累、測(cè)溫元件絕緣破損等因素都有可能導(dǎo)致軸電壓的產(chǎn)生。軸電壓建立起來(lái)后，一旦在轉(zhuǎn)軸及機(jī)座、殼體間形成通路，就產(chǎn)生軸電流（解決方案：A.合適的電纜；B.正確的接地；C.分軸器絕緣；D.兩端軸承絕緣）。

3 軸電流對(duì)軸承的破壞

正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間有潤(rùn)滑油膜的存在，起到絕緣的作用。對(duì)于較低的軸電壓，這層潤(rùn)滑油膜仍能保護(hù)其絕緣性能，不會(huì)產(chǎn)生軸電流。但是當(dāng)軸電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，尤其在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜而放電，構(gòu)成回路，軸電流將從軸承和轉(zhuǎn)軸的金屬接觸點(diǎn)通過(guò)，由于該金屬接觸點(diǎn)很小，所以這些點(diǎn)的電流密度大，在瞬間產(chǎn)生高溫，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(nèi)表面上燒出小凹坑。一般由于轉(zhuǎn)軸硬度及機(jī)械強(qiáng)度比軸承燒熔合金高，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，所帶來(lái)的主要后果如下：

（1）在放電區(qū)域熔化金屬粒子，在金屬表面形成極微小的電蝕凹坑；

（2）凹坑的積聚使表面變得粗糙，失去光澤，如果發(fā)生在軸瓦上則會(huì)產(chǎn)生純機(jī)械磨損；

（3）熔化的金屬微粒進(jìn)入潤(rùn)滑系統(tǒng)，使?jié)櫥瑒┦艿轿廴荆麄€(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑性能變壞，而且含有大量金屬微粒的潤(rùn)滑劑會(huì)降低油膜電阻，加速電火花侵蝕的進(jìn)展；

（4）在軸承承載區(qū)產(chǎn)生局部高溫，破壞油膜，燒壞金屬，增加磨耗，最終造成嚴(yán)重的摩擦損壞。

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，最容易發(fā)生電火花放電的部位是徑向軸承和止推軸承的承載面、齒式聯(lián)軸器的工作齒面，這些部位因運(yùn)行中的多種條件變化（如負(fù)荷、溫度、潤(rùn)滑狀況以及轉(zhuǎn)子振動(dòng)等），均有可能會(huì)使油膜和氣隙電阻減小，在這些部位很容易引起電火花放電現(xiàn)象。

對(duì)于徑向滑動(dòng)軸承，軸承電蝕凹坑的發(fā)展會(huì)使巴氏合金表面受到嚴(yán)重的腐蝕，這不僅會(huì)改變軸承的原有間隙，而且表面光潔度下降還會(huì)導(dǎo)致軸承表面的擦傷和擦痕、局部高溫和燒傷。高速輕載軸承表面巴氏合金的磨耗會(huì)使一部分軸瓦失去作用，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)容易誘發(fā)油膜渦動(dòng)，造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而不穩(wěn)定的油膜反過(guò)來(lái)又會(huì)引起軸承油膜電阻的急劇下降，使更多的軸電流通過(guò)該區(qū)域，加劇電火花作用，彼此相互激勵(lì)，最終導(dǎo)致軸承或軸系系統(tǒng)的損壞。

4 解決方法

多年來(lái)，我們對(duì)高速線材軋機(jī)機(jī)組（包括16#軋機(jī)齒輪箱、精軋機(jī)增速箱、4#夾送輥增速箱的輸入軸）所損壞的圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承，進(jìn)行了檢查和分析，基本都存在軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體上的“搓板紋”損傷，這些均是軋機(jī)輸入軸有軸電流產(chǎn)生或軸承有過(guò)電流的明顯現(xiàn)象。我們也正在進(jìn)行積極的技術(shù)改造，防止電機(jī)產(chǎn)生軸電流的可能性，以避免重大設(shè)備事故發(fā)生。為此我們采取了兩項(xiàng)改進(jìn)措施：（1）為消除軸電壓經(jīng)過(guò)軸承、機(jī)座與基礎(chǔ)等處形成的電流回路，采用接地線將齒輪箱軸承座對(duì)地絕緣。（2）為防止電機(jī)轉(zhuǎn)軸形成懸浮電位，對(duì)電機(jī)軸增加接地碳刷，確保轉(zhuǎn)軸通過(guò)電刷有效接地。改進(jìn)效果良好。

5 案例分析

高速線材預(yù)精軋機(jī)16架輸入軸圓錐滾子軸承損壞案例：

5.1 故障現(xiàn)象及診斷

2011年5月大修前，通過(guò)在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)16架齒輪箱輸入軸測(cè)點(diǎn)信號(hào)異常，包絡(luò)信號(hào)（ENV3）振動(dòng)總值已超過(guò)主報(bào)警值，頻譜分析圖顯示圓錐滾子軸承33024（SKF）軸承外圈故障特征頻率及其諧波特征明顯，見(jiàn)圖3。

圖3 檢修前16架齒輪箱振動(dòng)趨勢(shì)圖及頻譜圖

頻譜分析頻率2000 Hz，1600譜線，計(jì)算軸承33024故障特征頻率（轉(zhuǎn)頻R=17.3 Hz，外圈故障頻率/轉(zhuǎn)頻=13.592）為：

外圈故障頻率BPFO=17.3×13.592=235.14 Hz。分析見(jiàn)表1。

表1 16架齒輪箱軸承故障頻率分析

該軸承外圈故障頻率1倍頻振幅值已達(dá)1.43ge，2、3、4倍頻振幅值均達(dá)0.5ge以上。包絡(luò)信號(hào)振動(dòng)總值達(dá)8.858ge，分析認(rèn)為該軸承外圈損傷。結(jié)合加速度和包絡(luò)信號(hào)綜合分析，可以判斷軸承損傷原因?yàn)椤拜S電流”引起的軸承電蝕損傷。

5.2 故障處理及改進(jìn)

利用大修時(shí)間解體齒輪箱，檢查發(fā)現(xiàn)圓錐滾子軸承33024內(nèi)外圈滾道表面存在比較嚴(yán)重的“搓板痕”見(jiàn)圖4。證實(shí)為“軸電流”損傷，由于電樞與軸之間通過(guò)軸承接地而產(chǎn)生輕微放電，電流在旋轉(zhuǎn)中的軸承滾道和滾動(dòng)體的接觸部分流動(dòng)時(shí)，通過(guò)薄薄的潤(rùn)滑油膜發(fā)出火花，造成接觸表面出現(xiàn)局部的熔融和凹凸現(xiàn)象，其癥狀就是軸承元件內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕。

圖4 軸承33024內(nèi)外圈損傷照片（左側(cè)為軸承內(nèi)圈，右側(cè)軸承為外圈）

為此我們采取了兩項(xiàng)改進(jìn)措施，檢修后16架齒輪箱振動(dòng)趨勢(shì)及頻譜圖如圖5所示。

（1）為消除軸電壓經(jīng)過(guò)軸承、機(jī)座與基礎(chǔ)等處形成的電流回路，采用接地線將齒輪箱軸承座對(duì)地絕緣。

（2）為防止電機(jī)轉(zhuǎn)軸形成懸浮電位，對(duì)電機(jī)軸增加接地碳刷，確保轉(zhuǎn)軸通過(guò)電刷有效接地。

圖5 檢修后16架齒輪箱振動(dòng)趨勢(shì)圖及頻譜圖

改造并更換軸承后，輸入軸包絡(luò)信號(hào)振動(dòng)總值降為1.94ge。同時(shí)33024軸承故障特征頻率幅值降為0.04ge以下。

[1]牛明忠.設(shè)備故障的振動(dòng)識(shí)別方法與實(shí)例[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[2]SKF.SKF軸承綜合型錄[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1991.

Analysis of Shaft Current of Motors and Prevention of Shaft Current of Gearboxes

HUA Chenggang，ZHANG Benlian
(TheEquipmentRepairEngineeringCo.,Ltd.ofMasteel,Maanshan,Anhui243000,China)

The causes and solutions of shaft current were introduced and a case of shaft current at the No.16 finishing mill of Masteel’s high-speed wire rod plant was analyzed. Practice has proved that shaft current not only affects the bearings of motors but also damages the bearings of gearboxes.

motor;shaft current;diagnosis;gearbox;prevention

TM 3

B

1006-6764(2014)02-0007-04

2013－09－10

2013－11－06

花成剛（1969－），男，1990年畢業(yè)于馬鞍山聯(lián)大冶金機(jī)械專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事冶金維修工作。