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消除軸電流,提高電機軸承運行壽命
李曉賓
(萊鋼設備檢修中心,山東萊蕪 271104)
  摘 要:文章通過現場具體設備電動機產生軸電流的實例,分析了造成產生軸電流的原因,簡述了電動機產生軸電流導致軸承燒損及軸電流對電動機危害,介紹了如何防止電動機產生軸電流及產生軸電流后應采取的具體措施與消除電動機軸電流所取得的實際經濟效益與社會效益。
  關鍵詞:電動機;軸電流;軸電壓;措施
  煉鐵廠熱風爐1#助燃風機型號為YKS560-4,額定容量為1250kW,額定電壓10kV,額定轉速1490r/min,額定電流84.1A,絕緣等級為F級,電機軸承為滾動軸承。運行中,電機驅動端軸承溫度突然異常,溫度達94℃,電機測溫點報警,用遠紅外測溫裝置測量電機本體溫度為82℃,經過對電機軸承解體發現在軸承末端有明顯的凹槽,初步確定為軸承安裝問題,在經過更換軸承后不長時間又出現相同情況,于是判斷故障為軸電流所引起,后經一系列研究制定了整改保護措施,現在設備已經正常運行1年多。下就軸電流產生的原因及防護措施做一下闡述:
  1 軸電流產生的原因
  由于大型電動機的定子磁場有時不平衡,在軸上產生感應電動勢。磁場不平衡的原因是局部鐵心有銹蝕使磁阻增大,以及定子和轉子之間的氣隙不均勻導致產生軸電流。軸電流的軸電壓一般在2~3V。軸電壓是電動機兩軸承端或電機轉軸與軸承間所產生的電壓,其產生原因一般有以下幾種:
  (1)磁不平衡產生軸電壓
  電動機由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素,再加上鐵芯槽、通風孔等的存在,造成在磁路中存在不平衡的磁阻,并且在轉軸的周圍有交變磁通切割轉軸,在軸的兩端感應出軸電壓。
  (2)逆變供電產生軸電壓
  電動機采用逆變供電運行時,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、轉軸之間產生電磁感應,使轉軸的電位發生變化,從而產生軸電壓。
  (3)靜電感應產生軸電壓
  在電動機運行的現場周圍有較多的高壓設備,在強電場的作用下,在轉軸的兩端感應出軸電壓。
  (4)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。
  (5)其他原因
  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。
  2 軸電流的危害
  大中型交流電動機軸與軸瓦采用滑動軸承,滑動軸承必須通過稀油潤滑,電機軸是乘在油膜上的。由于軸電壓較低,油膜的絕緣是不會被擊穿的。只有軸和軸承在運行過程中,造成油膜破裂擊穿,導致軸與軸瓦形成金屬性接觸的瞬間,便產生相當大的軸電流,這種軸電流可達到幾百安甚至上千安,它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。
  3 軸電流對軸承的破壞
  正常情況下,轉軸與軸承間有潤滑油膜的存在,起到絕緣的作用。對于較低的軸電壓,這層潤滑油膜仍能保護其絕緣性能,不會產生軸電流。但是當軸電壓增加到一定數值時,尤其在電動機啟動時,軸承內的潤滑油膜還未穩定形成,軸電壓將擊穿油膜而放電,構成回路,軸電流將從軸承和轉軸的金屬接觸點通過,由于該金屬接觸點很小,所以這些點的電流密度大,在瞬間產生高溫,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,于是在軸承內表面上燒出小凹坑。一般由于轉軸硬度及機械強度比軸承燒熔合金的高,通常表現出來的癥狀是軸承內表面被壓出條狀電弧傷痕。
  4 造成軸電流對軸承(軸瓦)損害比小型電動機嚴重(小型電動機受軸電壓影響很小)的原因
  力學上的原因:大型電動機振動相對小型電動機要大,過度的機械振動會使磁路磁場不平衡;大型電動機啟動時間較長,軸承內穩定的潤滑油膜不易形成,可能因軸電壓擊穿油膜而放電,構成回路;
  熱學上的原因:過載時大型電動機軸承溫度的增加往往要大于小型電動機,特別是因軸電流通過油膜放電或者導電,在軸瓦和軸承處產生點狀微孔時,軸承的運行條件變壞,軸承溫度的遽增,大型電動機軸承溫度的增加往往要大于小型電動機。
  電學上的原因:1)電機在高速運行中,軸承滾珠懸浮在潤滑劑中,使潤滑劑的作用類似于一個電容器C。由于轉軸與軸承內圈連接,軸承外圈與電機機殼接觸,當軸電壓超過潤滑劑的閾值電壓(即絕緣強度)時,就會有電流流過軸承,其大小約為i=Cdv/dt,這個電流使軸承局部溫度迅速升高,產生熔化性凹點,導致軸承滾道上出現凹槽,一方面增加了軸承機械磨損的機會,同時還因增加了潤滑劑中有害雜質數量而產生了噪聲,降低了軸承的機械壽命,使軸承損壞。2)對于變頻器驅動電動機,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又是產生軸電壓和軸電流的起因。而且,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,使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。
  磁學上的原因:當定子與轉子不在同一軸線,或圓周方向有效鐵心扇形片合縫小等,組裝這些扇形片的鳩尾筋及軸向孔等裝配不當,引起相當定子鐵心內有氣隙存在的效應,從而沿定子鐵心圓周形成一交變磁通,而在軸上感應出軸向電勢。假設電機的極對數為p,定子鐵芯接縫數為n,則分數n/p約分后為n′/p′,當n′為偶數時,不會產生軸電流;當n′為奇數時,會產生頻率為fn′的軸電流。大型電動機的磁路比小型電動機要長,裝配上要求不易達到,易產生軸向電壓。
  5 軸電流解決方法
  對于由軸交鏈交變磁通所產生的軸電壓,我們采用在電動機一側的軸承座下加絕緣墊的方法來防止軸電流的產生。這種方法主要是運用絕緣墊割斷軸與軸瓦之間形成的回路,使軸電流無法產生。但在我們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的作用,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,絕緣不低于0.5MΩ。
  對于由靜電荷引起的軸電壓,我們采用在電機負荷側的軸上加一塊接地碳刷,碳刷接地必須可靠。這樣我們就能隨時地將電機軸上的靜電荷引向大地,使其不能形成軸電壓,避免電荷放電形成的瞬間軸電流。
  對于軸與軸瓦之間的潤滑絕緣介質油,必須及時檢查潤滑油的純度,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。另外,我們還要保持絕緣墊的干凈和干燥,切實使絕緣墊起到絕緣的作用
  結束語
  通過深入研究軸電流產生的原因,我們對所轄區域內的高壓電機進行了實驗性防護,大大降低了軸承的損害率,保證了生產的順行,以后將對此進行大范圍的推廣,給企業帶來更大的經濟效益。
來源:《中國科技博覽》2015年08期
發布時間:2016-06-17 00:00:00

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