離心紡絲電錠故障分析

趙獻丹，何慶中，王永斌，郭　斌

(四川理工學院機械工程學院，四川 自貢　643000)

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離心紡絲電錠故障分析

趙獻丹，何慶中，王永斌，郭斌

(四川理工學院機械工程學院，四川 自貢643000)

離心紡絲電錠工況較惡劣，故障率高。對某化纖生產企業的故障電錠進行研究，發現故障電錠損壞主要集中在軸承和電機部分。對電錠軸承的疲勞壽命進行分析，計算出軸承的疲勞壽命約為75d；對生產現場的電錠進行抽樣分析，發現電錠的故障時間約為70～90d；對100臺電錠分別進行軸承維護和電機維護，對比故障結果，判定離心紡絲電錠故障產生的根本原因是軸承的疲勞損壞。

離心紡絲電錠；軸承；疲勞壽命；故障

中國是世界上最大的化纖生產國，《2016—2022年中國化學纖維行業分析及投資決策研究報告》顯示：2015年中國化學纖維市場產量達4872萬t。離心式連續紡絲機是生產粘膠長絲的一種重要設備，其核心部件是離心紡絲電錠，GD型離心紡絲電錠是目前國內化纖企業中使用最多的一種電錠，結構如圖1所示。三相交流變頻電機為電錠提供動力，電機定子直接安裝在電錠機殼上，電機的轉子直接和轉軸連接，轉子由上下兩個深溝球軸承支承，在變頻器的驅動下，電機帶動離心罐以8500r/min速度旋轉[1]，絲束進入高速旋轉的離心罐內，在離心力作用下加捻并纏繞成絲錠。這種電錠結構簡單、重量輕、制造方便，運轉平穩，加速性能好，易于實現高轉速。

1.離心罐，2.芯軸，3.密封蓋，4.機殼，5.軸承，6.錠子，7.轉子，8.膠墊圖1　電錠結構

化纖生產普遍采用濕法紡絲工藝，電錠的工作環境濕度大、酸性腐蝕大，再加上電錠的工作轉速高，因此電錠的故障率高[2]。

電錠發生故障后，一般是憑維修工人的經驗來排查故障并進行維修。但是紡絲企業的電錠數量巨大，憑經驗進行維護，不但效率極低，而且維護成本相當高[3]。如果能夠找出電錠故障的根本原因并進行有效維護，將極大提高紡絲機運行的可靠性和產能，降低生產成本。

本文對某化纖生產企業的故障電錠進行統計分析，并結合理論探究了電錠故障產生的根本原因。

1　軸承疲勞壽命分析

某化纖生產企業擁有離心紡絲電錠36000臺，由于故障率高，維護量大，該企業每年都要花費大量資金用于紡絲電錠的維修保養，極大影響企業的經濟效益。

通過對損壞電錠的拆解分析，發現電錠損壞主要集中在軸承和電機兩個部分，電機的損壞主要是轉子的磨損和定子線圈燒壞。

電錠在啟動、停機和穩定運行過程中，不可避免地存在不平衡力，尤其在離心罐的內壁，原漿和水分分布的不均勻會產生不平衡力，導致電錠產生振動，對軸承造成沖擊，特別是電錠啟停過程中，當振動頻率和電錠的固有頻率相等時，會產生共振，對軸承產生更大的沖擊。粘膠長絲的生產過程是周期性的，當一錠長絲成錠后，電錠停機，取出絲錠，然后再起動電錠，生產另一錠，周而復始，在這種周期性的啟停過程中，系統會產生共振，盡管這種共振時間較短暫，但沖擊作用積累后將加速軸承的疲勞破壞，從而使得軸承間隙增大，而轉子和定子之間的間隙很小，軸承間隙增大到一定程度后，轉子和定子將會接觸，發生摩擦，造成定轉子的磨損，摩擦所產生的高溫將破壞定子線圈的絕緣性能，最終導致定子線圈的燒毀，致使電錠無法正常工作，因此推測軸承疲勞破壞是電錠故障的根本原因。

為了進一步確定電錠的故障原因，對軸承的疲勞壽命進行理論分析。滾動軸承的疲勞壽命可用式(1)表示：

(1)

其中：Lh—軸承壽命；C—基本額定動載荷；P—當量動載荷；ft—溫度系數；fp—載荷系數；ε—壽命指數，球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3；n—軸承的工作轉速。

在離心紡絲電錠運行過程中，軸承既要承受不平衡力產生的徑向載荷，還要承受離心罐、轉軸等產生的軸向載荷，同時承受徑向載荷和軸向載荷，深溝球軸承的當量動載荷可用式(2)表示：

P=XFr+YFa

(2)

其中：X—徑向載荷系數；Y—軸向載荷系數；Fr—徑向載荷；Fa—軸向載荷。

為求得電錠軸承的當量動載荷，采用Adams/vibration模塊進行電錠的振動響應分析，這不僅可以獲得電錠的振動響應特性，還可以得到電錠軸承在不平衡質量作用下承受的動載荷[4]，如圖2所示。徑向載荷取其穩定工作時的最大值Fr=940N，軸向載荷為離心罐和轉軸等的重力Fa=18.2N。

圖2　軸承徑向載荷

根據電錠的工作條件，可以確定疲勞壽命計算的相關參數[5-6]，如表1所示。電錠使用6000系列的深溝球軸承，內徑為17mm，基本額定動載荷C為9580N；電錠工作溫度在80℃以下，溫度系數ft取1；電錠在運轉時存在一定的沖擊載荷，屬于輕微沖擊，載荷系數fp取1.05。

表1疲勞壽命公式參數值

XYFr/NFa/NC/Nftfpn/(r/min)ε1094018.2958011.0585003

將參數代入式(1)可以得到電錠軸承在工作過程中的疲勞壽命為1793h，約為75d。

2　電錠故障統計分析

為了驗證理論計算的可靠性，確定電錠故障產生的主要原因，對該企業的電錠進行統計分析，隨機選取生產線上的3600臺電錠作為研究對象，并進行標記，然后對標記的電錠運行狀況進行監控。

經過約100d，標記的3600臺電錠都出現故障，無法正常運行，對電錠出現故障的時間、數量進行統計，得到電錠故障分布，如圖3所示。

圖3　電錠故障臺數分布

統計數據表明，發生故障的電錠的數量接近正態分布，在80d左右電錠出現故障的數量最多，90%的電錠在運行70～90d后出現故障。

將故障電錠拆解，對其內部零件進行仔細觀察分析，發現幾乎所有故障電錠的軸承都產生了疲勞損壞，電機定子線圈燒壞，而其他零件基本正常。由此可以推斷，電錠運行70～90d時，電錠內部的轉子支承軸承和電磁系統的線圈將會損壞，從而導致電錠停機。

為了進一步判定軸承和電機哪個是造成電錠故障的根本原因，維護人員對剛維護好的、狀態良好的電錠進行了兩次抽樣試驗：a)隨機抽取100臺電錠，在第50d時，更換電錠的支撐軸承；b)隨機抽取另外100臺電錠，在第50d時，更換電錠電機的定子線圈。

將兩組電錠采用不同的方式進行標記，開機運行，第50d時，對第一組電錠進行更換軸承的維護操作，對第二組電錠進行更換線圈的維護操作。然后繼續運行，100d后停機檢測。通過觀察發現，更換軸承的第一組電錠只有一臺電錠故障停機，其余99

臺都能夠繼續正常工作；而更換線圈的第二組電錠有99臺電錠出現故障，僅1臺沒有出現故障。

3　結　論

通過對故障電錠的分析和抽樣運行試驗，得出如下結論：造成電錠運行故障的根本原因在于軸承的損壞。

依據滾動軸承疲勞壽命公式計算得到軸承的壽命為75d，與試驗所得的70～90d不完全一致，這是因為軸承疲勞壽命是指軸承出現疲勞點蝕的時間，距離軸承完全疲勞破壞、電錠故障停機還需要一定的時間。據此可以認為理論計算結果基本正確。

影響電錠軸承壽命還有以下因素：一方面，在離心電錠啟動和停機過程中，因轉動部分的不平衡動載荷，電錠會產生短時共振現象，使支承軸承存在一定的附加動態應力，從而加速軸承的損壞；另一方面，由于電錠結構上并不是封閉的，軸承也沒有密封，電錠工作環境中的水分和酸性物質對軸承的腐蝕必然會降低軸承的壽命。

通過對電錠故障原因的分析，找出電錠故障的根本原因，對于提高化纖生產企業的生產效率，降低電錠的維護保養費用，降低企業生產成本具有一定的價值。

[1] 劉玉來.GD-1型新型紡絲電錠的應用[J].人造纖維,2003,33(3):16-17.

[2] 于會榮.改進電錠繞組浸漆工藝、降低電錠燒包率[J].人造纖維,1999(4):35-37.

[3] 陳靖,楊平,楊宏.紡絲機電錠組件的故障診斷技術研究[J].微計算機信息,2005,21(12):128-130.

[4] 嚴世榕，李智強.整車環境下動力總成懸置系統振動特性研究[J].福州大學學報(自然科學版),2014,42(1):103-109.

[5] 趙永剛.機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社,2014：194.

[6] 駱素君.機械課程設計簡明手冊[M].北京：化學工業出版社，2011: 231.

(責任編輯：康鋒)

Analysis on Fault of Centrifugal Electric Spindle

ZHAOXiandan,HEQingzhong,WANGYongbin,GUOBin

(Institute of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering , Zigong 643000, China)

Failure rate of the centrifugal electric spindle is high under the harsh operating condition. Through studying electric spindle failure of a chemical fiber production enterprise, it is found that electric spindle failure contains two aspects, bearing and motor. Then, the fatigue life of the bearing was analyzed and its fatigue life was figured out, i.e. about 75 days. It is found from sampling analysis of the electric spindle in the production field that, the fault time of electric spindle is about 700～90 days. The bearing and motor maintenance was done for 100 motors, and the fault results were compared. The basic reason of centrifugal electric spindle fault is the fatigue failure of the bearing.

centrifugal electric spindle; bearing; fatigue life; fault

2015-09-14

過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室項目(GK201207)；自貢市科技局項目(2012Z09)；人工智能四川省重點實驗室項目(2014RZY03)

趙獻丹(1973-)，男，湖面湘潭人，碩士，講師，主要從事機電一體化技術方面的研究。

TS152.7

A

1009-265X(2016)05-0046-03