YBF系列隔爆型高壓三相異步電動機稀油潤滑滾動軸承結構研究

(中國船舶重工集團有限公司第七0三研究所，黑龍江哈爾濱 150078)

0 引言

YBF系列風機用隔爆型高壓三相電動機主要用于對煤礦、礦山等場所礦用主通風機的驅動，礦用主通風機是煤礦、礦山井下重要的通風設備，關乎煤礦、礦山企業的財產安全及井下生產工作人員的生命安全，其重要性不言而喻。目前，市場上傳統的YBF系列電機一直采用的是油脂潤滑軸承結構，由于YBF 系列電機使用的工況環境較差且在運行時承受的載荷也較為復雜，所以油脂潤滑的軸承結構時常出現故障，影響用戶的使用和生產。而YBF稀油潤滑軸承結構系列電機改變了傳統的軸承結構定式，從機械結構的設計到潤滑劑的選擇都與傳統滾動軸承結構完全不同，稀油潤滑軸承結構具有承載能力大、運行可靠等優點，可整體提高電動機的可靠性，有效降低用戶的維修、維護成本。

1 傳統YBF系列電機脂潤滑滾動軸承結構的失效分析

YBF系列風機用高壓隔爆型三相異步電動機主要驅動的負載為煤礦上所用的主通風機，其工作條件非常惡劣，經常出現電動機軸承損壞的故障。工作中的軸承結構是個復雜的受力體，除了葉輪施加的徑向重力載荷和軸向推力載荷外，運行中粉塵引起葉輪結構不平衡的離心力，葉輪進氣不均勻引起的交變推力載荷，通風機旋轉失速引起的不穩定工況和喘振都會使電動機支撐軸承造成過早的疲勞破壞。但是，究其根本原因電動機軸承支撐結構設計的合理性是造成軸承過早失效的根本原因。

靜不定問題的出現，在結構設計中是非常不合理的甚是是一種嚴重設計缺陷。超靜定設計的定位結構有時會產生巨大的支撐反力，造成軸承、齒輪、軸等零部件的破壞。

圖1傳統YBF系列電機脂潤滑軸承結構示意圖

圖2靜不定軸承支撐結構的簡化力學模型

靜不定軸承結構為什么會產生非常大的附加支反力？電動機的軸是剛性軸，理論情況下電動機在正常運行時不會出現振動。機座在焊接后，殘余應力釋放充分、徹底，機械加工也是理想狀態，機座結構不會在電動機運行過程中由于參與應力的釋放產生的機座變形，那么這種靜不定結構不會產生附加的支撐反力，按靜定結構計算的軸承支撐反力是正確的。但是，軸系的振動，機座的變形在實際中是不可避免的。轉子振動，加工誤差和機座變形后軸系的簡化力學模型如圖3、圖4、圖5所示。

圖3靜不定結構轉子的振動變形模型

圖4靜不定結構支撐機殼變形引起的附加載荷

圖5靜不定結構轉子機殼端盤變形引起的附加載荷

解除約束，以相應的支撐反力等效支撐后如圖6、圖7所示，其中，R1，R2—垂直方向的支撐反力；R3—水平方向的支反力；M1，M2—支座1和支座2處的反力偶矩；F1，F2—力偶矩在支座1和支座2處產生的等價力；a—力偶矩的等效力臂，M1=aF1，M2=aF2；d—徑向軸承內圈的滾道直徑。

由圖6，圖7可以看出，即使非常小的振動和變形，與電動機整體結構尺寸相比，由于力臂a非常小，F=M/a，也會產出非常大的力F1和F2(撬杠效果)。

圖6滾柱徑向軸承的靜不定結構轉子簡化力學模型

圖7球徑向支撐靜不定軸系的簡化力學模型

2 改良后的YBF系列電機稀油潤滑滾動軸承結構的優勢特點

改良后的稀油潤滑滾動軸承結構在理論上解決了靜不定軸承支撐的問題，同時提高了軸承承載能力。圖8給出了具有承受嚴酷載荷的新系列稀油潤滑滾動軸承結構，其簡化力學模型如圖9所示。該軸承結構的關鍵點在于調心和雙列軸承的采用，調心和軸向浮動設計，解除了傳統設計的多余約束，使之成為靜定結構。由于調心結構的存在，載荷可以在單邊的兩排軸承中自動調節平衡，單邊的雙排軸承之間設置了兩個圓環，增加了雙排柱軸承間的軸向距離，目的是避免軸承滾動體保持架干涉；同時使之具有一定的“力臂”值，當軸驅使軸承組擺動時，盡可能減小作用在每排軸承上的力(擺動力矩一定的條件下，力臂越大力就越小)。

圖8改良后的YBF系列稀油潤滑滾動軸承結構示意圖

圖9靜定軸承支撐結構的簡化力學模型

圖8所示的重載調心結構支撐結構對于圖3、圖4、圖5所示的振動和變形能夠自適應調節，始終保持結構的靜定性，不產生附加的支反力。

采用稀油潤滑的方式，可極大的改善潤滑條件。與傳統的油脂潤滑相比，稀油潤滑可增強軸承的散熱能力，通過循環油帶走軸承運行時產生的熱量，并且稀油潤滑較油脂潤滑充分，可有效減少由于潤滑不充分造成的軸承過早失效。

3 結語

機械結構設計中應該避免出現靜不定問題，靜不定結構有時會產生極大的支反力，造成結構破壞和零件失效。

與常規轉子支撐相比，對于工作環境惡劣的，載荷波動大的工作場合單邊可以加裝多排徑向軸承。而傳統支撐單邊如果加裝兩排徑向軸承就會造成嚴重的超定位問題，不但不能起到加強支撐的作用，很可能迅速造成軸承組的破壞。單排常規支撐通常會通過滾動碾壓產生塑性變形使柱形滾動體變為鼓形而具備微量的調心能力，代價是滾動體或滾道的金屬材料組織遭受局部破壞，減少了疲勞壽命。球形滾動體徑向軸承也可以通過滾動碾壓使滾道產生塑性變形，但軸承壽命降低，支撐精度下降。