高壓交流電動機軸電流引起的軸承故障與改進措施

沈　蔚

(中國石化上海石油化工股份有限公司公用事業部，上海200540)

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高壓交流電動機軸電流引起的軸承故障與改進措施

沈蔚

(中國石化上海石油化工股份有限公司公用事業部，上海200540)

摘要：針對同一臺高壓交流電動機反復出現軸承故障的現象，分析闡述了交流電動機內外部軸電壓產生的原因，由于軸電壓構成的回路電阻很小，以致很小的軸電壓便會產生很大的軸電流。根據軸電流對軸承破壞的共同特征，對軸電流造成軸承損傷的機理進行分析，結合電動機檢修管理的實踐經驗，提出了軸電流的防止措施和設防建議措施。

關鍵詞：交流電動機軸承損傷軸電流分析措施

由于高壓交流電動機的磁路磁場不對稱、漏磁、剩磁、軸向磁阻變化和外部靜電感應、外部電源介入等原因，運行中的交流高壓電動機會產生軸電流。而軸電流對電動機的軸承和軸瓦造成嚴重損傷，出現軸承狀態監測數據惡化，嚴重時會使軸承燒損，而軸承或軸瓦損壞及更換帶來的直接和間接經濟損失也不可低估。因此必須高度重視和防范交流高壓電動機的軸電流問題。

某企業E-GA120B急冷油循環泵電動機由日本富士公司于1997年4月制造，為560 kW,4極6 kV的增安型電動機，其軸伸端軸承為6226C3和NU226MC3，非軸伸端軸承為NU226MC3。該電動機投用以來一直運轉平穩，但在2011年1月5日因電機非負荷端的冷卻進風口(下進風口)被保溫塑料薄膜吸堵，引起軸伸端軸承超溫運行，造成軸伸端軸承抱軸故障，同時出現電動機負荷側定轉子的部分掃膛，經搶修后投入正常運行。運行3個月左右，該電動機軸承狀態沖擊脈沖(SPM)監測數據明顯惡化，當時懷疑軸承質量有問題，不得已安排更換軸承并再次投入運行。但2011年10月該電動機軸承狀態SPM監測數據再次惡化，經對檢修拆解軸承的觀察分析，發現NU226MC3軸承內圈有明顯的搓板樣條形燒傷痕跡，判斷為軸電流引起的軸承燒損故障。為此采取防止產生軸電流的措施，在非負荷端改用SKF絕緣軸承，之后該電動機正常運行至2015年12月，才因負荷端軸承保持架突然疲勞故障安排了檢修。期間SPM軸承狀態監測數據仍保持良好狀態，電動機軸承的正常運行壽命得到了保證和延長。

1電動機軸承損傷原因分析

交流電動機是在正弦交變的電壓下運行的，電動機的轉子是在正弦交變的磁場中運行。由于存在扇形沖片與極對數關系不正確，硅鋼片鐵芯材料的方向性等疊加因素，鐵芯槽、通風孔等存在剩余磁通等問題，使電動機內部的磁路中產生不平衡的磁阻，電動機中便產生與軸相交鏈的交變磁通，在軸的兩端感應出軸電壓。該電壓是沿軸向產生的，如果與軸兩側的軸承直接接觸形成閉合回路，將有軸電流產生。

幾乎所有的電動機運轉時或多或少都會產生某種水平的軸電壓，除了電動機內部因磁路中磁阻不平衡產生的軸電壓外，還有外部原因諸如逆變電源供電運行產生的、靜電感應產生的、外部測控元件電源的介入產生的以及負載方面的流體與旋轉體相互間的摩擦而在旋轉體形成靜電荷積累產生的軸電壓。只要軸電壓高于某一特定水平，就是一種故障隱患[1]。電動機所容許的軸電壓、軸電流的大小與軸承類型、運行狀態、潤滑油質、轉速、安裝質量、現場運行環境和軸電流流經路徑的阻抗等許多因素有關。相對于滑動軸承，滾動軸承由于滾珠(滾柱)與軸承內外圈滾道的接觸面積更小，電流密度更大，對軸電流的敏感度比滑動軸承更大，凡有軸電流的電動機，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，于是在軸承內表面形成凹坑或凹槽。拆下滾動軸承檢查，發現軸承內外圈滾道上有像洗衣搓板樣的條形損傷痕跡，這是軸電流對滾動軸承破壞的共同特征[2]。此現象產生的原因是在滾珠或滾柱在碾壓接觸的地方接觸電阻很小，并將潤滑油脂擠向兩側，當滾動體將要離開原位置時，產生小間隙，此時就有放電現象產生，將跑道燒成條狀痕跡；線條的個數與軸電流頻率、電動機轉速和軸承內狀況有關。

軸電流對滾動軸承造成的危害主要體現在以下幾方面：

(1)由于電弧放電和電離，電動機軸承內的潤滑劑劣化加速，導致潤滑性能和介電強度降低；

(2)軸電流在轉軸和軸承內表面將產生許多電蝕點，破壞了軸承與轉軸的良好配合，破壞油膜形成條件；

(3)軸承運行溫度升高，噪聲和振動加劇，甚至伴有潤滑油脂流出；

(4)過大的軸電流密度甚至會造成嚴重的灼傷，在軸承滾道表面形成不可逆的麻點(凹坑)和凹槽；

(5)在爆炸性危險環境運行的電動機，過大的軸電流產生的過熱或火花，將可能引發爆炸等惡性事故。

一般通過滾動軸承的最大電流密度不得超過1.5 A/mm2，否則軸承性能將嚴重惡化，損害輕微的可運行上千小時，嚴重的甚至只能運行幾小時，給現場安全生產帶來極大的影響。美國電氣制造商協會編寫的NEMAMGI標準規定，按IEEE112《多相感應電動機試驗標準》進行試驗，給出了不同軸電壓、軸電流水平對電動機軸承造成的影響，通常以表1和表2所示規定作為電動機軸電壓和軸電流的參考[1-2]。

表1　軸電壓對軸承的影響

表2　軸電流對軸承的影響

根據表1和表2的參考限值：對于滑動軸承，軸電壓小于0.5 V，軸電流小于10 A，基本無燒蝕，可滿足正常穩定運行；而對于滾動軸承，軸電壓小于0.3 V，軸電流小于1 A，一般滾動軸承才能滿足正常穩定運行。

E-GA120B電動機第一次故障運行前后，其運行環境和運行條件均沒有任何變化，可以判明不存在外部原因引起軸電流的可能，因此只能從電動機本身尋找原因。該電動機故障前運行狀態平穩正常，說明設計制造時，磁路磁場對稱性控制很好，軸電壓和軸電流滿足正常運行要求。而當該電動機出現抱軸和負荷側部分掃膛故障后，電動機磁路磁場的對稱性遭到破壞，導致磁阻不平衡(檢修后仍存在硅鋼片粘連，使得磁性材料定向屬性發生變化以及氣隙不均勻等現象)，產生超出正常運行要求的軸電壓。又由于該電動機在阻斷軸電流方面沒有采取任何設防措施，使得電動機前后軸承內外圈、軸承室、機座形成了閉合回路，于是產生了超出正常運行要求的軸電流，加劇了軸承的損傷，縮短了軸承使用壽命。

對有害的軸電壓和軸電流可通過兩種方法來判別[1]：一是通過電動機試驗平臺檢測軸電壓的方式；二是通過觀察拆解下來的故障滾動軸承來判別，凡是軸電流引起的燒傷，在拆除軸承檢查時會發現軸承內外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對滾動軸承破壞的共同特征。根據以上分析，該電動機軸承頻繁故障的真正原因是軸承抱軸故障引起定轉子部分掃膛，造成電動機磁路磁阻不平衡而產生的有害軸電流所致。

2防止電動機產生軸電流的措施

軸電壓對電動機是沒有損害的，只有形成軸電流才會對軸承和轉軸造成破壞，軸電流的形成需要同時具備兩個條件：一是軸承內圈和軸承外圈、軸承室、機座形成一個閉合回路；二是軸承的內圈和外圈之間存在電位差，即軸電壓。上述兩個條件只要有一個不具備，就不會產生軸電流。

實際制造、使用、檢修過程中，通常采取的防止措施：一是阻斷形成軸電流的閉合回路；二是在電動機轉軸上安裝旁路電刷。在阻斷形成軸電流的閉合回路方面，可采取的途徑和方法有：

(1)在電動機非負荷端直接采用絕緣軸承，此方法簡單、有效、可靠，缺點是訂貨周期長，軸承更換費用高，可通過有效的管理來克服(如加強與軸承供應商的聯系，落實庫存備件和保管措施等)。

(2)在電動機非負荷端采用絕緣軸承室，軸承室是一個帶絕緣層的載體，可通過對軸承室內表面和端面用等離子均勻噴涂50～100 μm高性能耐熱陶瓷絕緣層，也可在端蓋軸承室嵌入隔套，套與端蓋間夾墊絕緣層，相應緊固內外蓋的螺栓加絕緣套管和絕緣墊等措施。絕緣軸承室也有缺點：一是結構和工藝都相對復雜，絕緣層的制作需要專業廠家完成；二是電動機反復檢修容易損傷絕緣層，此類事故在同企業另一臺B-GB1101隔爆型860 kW四極進口電動機的檢修過程中曾有發生，最后通過更換絕緣軸承得以解決；三是防爆電動機檢修中需要設防時，因結構工藝的改變，其防爆性能難以保證。

(3)對于滑動軸承結構，通常的方法是在固定軸承部位加墊環氧玻璃布板，并緊固螺栓加絕緣套管和絕緣墊，進出油路的管道加絕緣管接頭等設防措施。

(4)在某些情況下，為了與負載機械保持開路，還必須采用一些特殊的預防措施，如直接聯接到電動機的聯軸器要采取絕緣措施，各類檢測、控制設備均要采取絕緣措施。

關于電動機轉軸上安裝旁路電刷，其原理是破壞軸電流形成的第二個條件，消除軸承內外圈之間的電位差，缺點是不適宜爆炸危險區域使用，僅適用于由靜電引起軸電壓的消除。

在本案中，電動機軸電流的產生是由電動機內部引起的，根據上述防止軸電流的措施，結合實際使用、檢修的可行性，決定對該交流高壓電動機非負荷端的軸承直接改用絕緣軸承，以阻斷軸電流的閉合回路，從而消除軸電流對軸承的損傷。

通過采取以上阻斷軸電流的解決措施，該電動機軸承可正常運行4年有余，減少了因頻繁更換軸承帶來的直接和間接經濟損失。

3結語

在使用滾動軸承的交流高壓電動機的檢修管理中，一旦發生軸承損壞和定轉子掃膛，在檢修中應特別注意軸承表面痕跡。凡是軸電流引起的軸承燒傷，都會在軸承內外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對軸承破壞的共同特征。或者在檢修和試驗時，建議檢測交流高壓電動機軸兩端的軸電壓，并按是否大于300 mV的標準來設防。對于在防爆危險環境中使用的交流高壓電動機，只能采取阻斷軸電流回路的方法，主張在非負荷端直接改用絕緣軸承的方法來阻斷軸電流。總之，為減少軸電流的危害，要根據供電的品質、電動機大小、運行環境、軸承類型以及軸電壓大小等具體情況，采取相應有效可行的措施，延長軸承的運轉壽命，提高電動機運行的可靠性。

參考文獻

[1]梁慶信譯.感應軸承電流[J].中小型電機,2002,29(3):3.

[2]宋昌才.電機軸承使用手冊[M].北京：化學工業出版社,2009:5.

Bearing Failure of High Voltage AC Motor Caused by Shaft Current and the Prevention Measures

Shen Wei

(PublicUtilitiesDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

ABSTRACT

Keywords：AC motor,shaft bearing damage,shaft current,analysis,measures

收稿日期：2015-11-30。

作者簡介：沈蔚，男，1957年出生，1982年畢業于上海工業大學電機工程專業，高級工程師，現為公用事業部電氣管理主任師，從事電氣管理工作。

文章編號：1674-1099(2016)01-0051-03中圖分類號：TH17

文獻標識碼：A

In view of the repeated bearing failures on the same high voltage AC motor,the causes for generation of shaft voltage inside and outside the AC motor were analyzed.As the electric resistance in the return circuit

constituted by the shaft voltage,a small shaft voltage will produce a large shaft current.Considering the common characteristics of bearing damage caused by shaft current,the mechanism of bearing damage was analyzed.Prevention measures and fortification suggestions for shaft current were raised based on the above analysis and practical experiences in motor maintenance and management.