一起由波形彈簧引起的電機故障原因分析

趙磊 查衛華

摘? ?要：本文的研究對象是一臺冷卻水泵電機，在正常運行中突然跳閘停機，通過查閱電機維護工單、巡檢記錄，潤滑脂、軸承選型校核，徑向和軸向尺寸鏈測量，結合電機故障現象基本還原了電機故障起始及發展過程，最終確定了造成電機故障的原因，為同類型電機的維護提供了有價值的經驗反饋，避免同類型故障的重復發生。

關鍵詞：電機? 軸承? 波形彈簧? 軸向載荷

中圖分類號：TM30? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0065-02

1? 電機相關參數及維護歷史

1.1 電機參數

故障電機型號為HY280M-2，功率90kW，轉速2978r/min，電源頻率50Hz，三角形接法，防護等級IP55，額定電壓：380V，額電流：161A，功率因數：0.89，工作制：S1（連續工作制），絕緣等級：F，電機整機重量：612kg，兩端軸承型號6314/C3。

1.2 故障前設備狀態

電機故障前一直保持正常運行，定期巡檢中軸承溫度一直保持在75℃報警標準以下，機體溫度最高時62℃，同樣也遠低于F絕緣等級電機的繞組溫度限值。

最后一次檢修于2019年8月執行預防性解體大修，調查檢修過程，電氣參數正常，端蓋尺寸配合復合操作程序要求，修后實驗電機運行電流、振動水平合格。

2? 電機故障現象

2019年11月8日晚電機在運行中突然跳閘。電機外觀檢查，非驅動端無異常，驅動端端蓋高溫，油漆發黑，外軸承蓋高溫發白，電機轉子卡死。

解體大修，電機掃膛，定子鐵芯驅動端槽口位置鐵芯磨損，定子繞組接地。轉子鐵芯驅動端位置磨損，三根籠條疑似斷裂，驅動端軸頸與外軸承蓋配合位置磨損嚴重。軸承散架，保持架斷裂卡死在滾道中，內圈嚴重磨損，波形彈簧被壓平。

3? 故障發展過程

通過電機外觀及解體檢查的現象推斷，故障的起點在驅動端軸承位置，由于某種原因造成了軸承運行過程中阻力增大，打破軸承熱平衡，軸承溫度逐漸升高，高溫造成潤滑脂過度分油，基礎油逐漸流失，性能下降、失效。軸承失去潤滑后溫度進一步升高，軸承保持架不能正常引導滾動體，同時在高溫下保持架開始軟化變形，被滾動體碾壓斷裂軸承卡死，轉子失去徑向定位，部件與轉子發生接觸。在高溫狀態下軸承內圈與軸配合過盈量減小，甚至達到間隙配合的程度，摩擦力急劇減小，軸在軸承內圈中發生轉動，雖然此時電機負載有所增加但是仍未達到熱繼電器動作閾值，轉子仍在旋轉，軸頸與軸承室外蓋接觸磨損，電機氣隙消失，定轉子發生掃膛，最終傷及繞組，觸發漏電保護開關跳閘。

4? 根本原因分析

4.1 故障過程假設

根據現有的現象，將軸承損壞作為電機最終故障損壞的故障起因是合理且符合邏輯的，但是造成軸承故障的前置原因尚無法作出準確判斷，作如下幾種可能的假設并逐一進行驗證。

第一，軸承因為本身承載能力不達標而出現提前失效;

第二，潤滑脂性能不能滿足電機運行工況的要求，不能為軸承提供足夠的潤滑，最終造成軸承潤滑不良而失效;

第三，電機因部件尺寸鏈不合理，造成軸承存在不當載荷而提前失效。

4.2 軸承選型核算

電機兩端使用的軸承都是SKF6314/C3型軸承，按照軸承壽命簡化計算公式[1]：

電機預防性解體周期1.5年，以此為預期壽命反向計算軸承的承載能力，SKF6314/C3 型軸承可以支撐的轉子重量為812kg，而該電機整機重量為612kg，軸承的承載能力滿足設備運行要求。

4.3 潤滑脂性能核算

該電機使用的潤滑脂是美孚2號通用鋰基脂。2號通用鋰基脂的運行溫度范圍從-20℃～120℃，近似粘度為70mm2/s。根據軸承型號、電機轉速、運行溫度核算得到的額定運行粘度為22mm2/s，潤滑脂的承載性能完全能夠滿足電機的運行要求，同時根據潤滑脂運行溫度指示[2]，軸承實際運行溫度也在潤滑脂最佳性能區間內，而且軸承在2019年8月的電機預防性解體大修期間更換了全新的潤滑脂，軸承可以保證充分的潤滑。

4.4 部件配合尺寸校驗

根據電機預防性解體大修的測量數據，電機兩端軸承徑向配合尺寸滿足標準要求。

電機軸向配合尺寸經過測繪，電機非驅動端軸承室寬度35.3mm為定位端，驅動端軸承室寬度36.68mm為浮動端，軸承寬度35mm，非驅動端為定位端，驅動端為自由端。C3系列軸承徑向游隙的范圍為0.025～0.051mm，據徑向游隙標準查表（表1）計算所得軸向游隙標準為0.35～0.42mm。

根據轉子熱膨脹量公式[1]：

核算得到轉子在運行中軸向膨脹量為0.65mm，根據端蓋測繪數據，電機浮動端間隙1.68mm。軸承軸向游隙取最大0.42mm時，整個轉子軸向自由膨脹量最大為2.1mm。軸向游隙取最小0.35mm時，轉子軸向自由膨脹量最小為2.03mm。

波形彈簧型號D150，自由高度4.6mm，金屬厚度0.9mm，波數6，實驗高度3mm時最大彈力700N，最小彈力500N，按照轉子正常運行時0.65mm的熱軸向熱膨脹量，波形彈簧實際的工作高度在1.45mm到1.38mm之間。

根據波形彈簧的性能曲線（圖1），隨著工作高度減小波形彈簧產生的軸向推力是線性增加的，當波形彈簧工作高度接近金屬厚度0.9mm時，軸承承受的軸向力將脫離線性急劇增加。

電機運行中隨著轉子溫度升金屬受熱膨脹，軸承的軸向游隙逐步消失，然后推動軸承在軸承室內移動，波形彈簧被進一步壓縮，按照性能曲線，其理論工作高度范圍為1.38～1.45mm，對應彈力1484～1557N，如果考慮到轉子長度的加工余量，波形彈簧的工作高度實際還將有一定程度縮小，假設兩端軸承檔間距按照增加0.3mm來計算，波形彈簧工作高度范圍為1.08～1.15mm，對應彈力為1897～2049N之間。當波形彈簧高度為0.925mm，軸向載荷為35.4kN，6314軸承軸向載荷要求小于34kN[2]。

電機用D150型波形彈簧實驗高度3mm，位于性能曲線線性區域的中部，但是根據尺寸校驗，故障電機波形彈簧的工作區域已經進入非線性區域且接近壓平，造成軸承在運行中承受過大的軸向載荷而提前失效。電機解體中被壓平的波形彈簧（見圖2）也可證明上述判斷。

5? 結語

由于電機穩定運行時轉子熱膨脹使波形彈簧工作高度進入非線性區域，造成深溝球軸承承受過大的軸向載荷，最終提前失效。

波形彈簧的性能曲線分為線性區和非線性區，線性區內波形彈簧的彈力與工作高度成比例變化，但是當工作高度進入非線性區時，隨著工作高度的縮小，彈力會脫離原比例迅速增加。實際檢修中需要控制電機軸向間隙，讓波形彈簧工作在線性區，保證在工況變化時波形彈簧與軸承達到動態吻合，既能為軸承提供合適的預負荷同時又不至于進入非線性區域，讓軸承承受過大的軸向載荷，對軸承壽命產生不利影響。

參考文獻

[1] 閆丁.FU68系類芯片在井下冷卻水泵電機中的應用[J].山西能源學院學報，2019，32（1）：30-32.

[2] 俞學成.核電站循環冷卻水泵電機定子繞組溫度高原因分析與處理[J].電工技術，2016（9）：86-87.

[3] 鄭煜，王凱，楊利紅.滾動軸承早期故障優化自適應隨機共振診斷法[J].輕工機械，2020，38（2）：74-76，83.