某核電站立式水泵配套電機軸承溫升的分析

李波，周曉婧，趙亮，許德忠，范瑞波

(中廣核工程有限公司 設備采購與成套中心，廣東 深圳 518124)

1 電動機結構及故障現象

電動機為三相鼠籠式感應電動機，設計參數見表1，電動機結構如圖1所示，軸承安裝在軸承座內，軸承座與軸承端蓋采用分體結構，通過螺栓進行緊固；驅動端為浮動端，采用SKF圓柱滾子軸承NU238ECM/C3；非驅動端為固定端，采用SKF通用配對角接觸球軸承7336BCBM。軸承內外端蓋、甩油盤及軸承座材料為鑄鋼，軸承理論計算壽命大于1×105h。

該電動機設置的軸承報警溫度為90 ℃，停機溫度為95 ℃。前期6臺電動機現場運行數據見表2，從表中可以看出，電動機非驅動端軸承冬季運行溫度與夏季運行溫度相差14～24℃。第7臺電動機現場運行期間非驅動端軸承溫度最高達到93 ℃，超出了軸承報警溫度，現場通過多次處理，未能解決該問題，為此將該電動機進行返廠處理。

表1 電動機參數

圖1 電動機結構圖

表2 電動機現場運行數據

存在問題的電動機返廠后進行空載試驗(冬季)，試驗結果如圖2所示。可以看出，電動機在冬季非驅動端軸承溫度最終上升至71 ℃左右，換算至夏季非驅動端軸承溫度為95 ℃以上，超過了軸承報警溫度值及停機溫度值。

圖2 電動機非驅動端軸承溫度(空載)

2 故障分析

2.1 故障原因

引起軸承溫度升高的原因主要有2種：外部熱量傳遞過多和軸承運轉過程中出現異常摩擦[1]。結合具體情況，對可能導致電動機非驅動端軸承溫度過高的原因進行逐一分析。

1)有外部熱源。軸承附近有高溫熱源，并持續向軸承傳遞熱量。

2)軸承缺油。缺油會導致滾動體與滾道之間出現干摩擦，產生大量熱量，導致軸承溫度升高。

3)潤滑脂過多。由于潤滑脂的攪拌發熱，且導熱系數比金屬低很多，熱傳導能力差，容易蓄熱導致溫度升高。

4)潤滑脂中混入雜質。若潤滑脂中混入雜質，將直接影響軸承內部的潤滑，引起軸承運轉噪聲增大，滾動體、滾道面、異物之間也會產生摩擦，進而導致軸承發熱量增加。

5)外圈與端蓋間隙設置不當。若間隙過大，導致軸承運轉過程中外圈異常運動，引起異響摩擦，導致軸承運轉溫度升高；若間隙過小，軸承運轉過程中外圈受熱膨脹，使外圈與端蓋之間產生過大接觸力，使軸承工作游隙減小，導致軸承發熱量增加。

6)軸與內圈過盈量過大。若過盈量過大，導致軸承工作游隙減小，同樣會導致軸承內部摩擦增大，軸承發熱量增加。

7)電動機轉子動平衡不滿足要求。若電動機轉子動平衡不滿足要求，將使轉子運轉的軸心軌跡偏離理想狀態，軸承也將承擔額外的載荷，由此導致軸承運轉溫度升高。

8)電動機轉子、電動機機座、軸承端蓋、軸承座的形位公差或尺寸公差不滿足要求。若這些部件形位公差或尺寸公差不滿足要求，將導致電動機運轉過程中定、轉子不完全同心，軸承內部摩擦增大，運轉溫度也將升高[2]。

9)軸承游隙選擇不當。軸承游隙過大導致振動和噪聲問題，軸承游隙過小引發過熱及抱軸問題，存在一個最佳的工作游隙使軸承處于最佳運行狀態[3-4]。

10)軸承座結構剛度過小。若軸承座剛度過小，可能會導致電動機運轉過程中軸承座對軸承的支承剛度不足，使軸承內部游隙不均勻，引入異常摩擦，導致軸承溫度升高。

11)軸承設計結構不合理。軸承結構會直接影響電動機的載荷分布，常見的有雙球軸承結構、三軸承結構、球柱聯合的雙軸承結構等[5]，不同軸承安裝結構對軸承的運行產生影響[6〗。

2.2 原因分析

結合實際情況，對故障原因進行分析排除：電動機在工廠試驗時的環境溫度較低，電動機線圈溫度也在正常范圍，因此外部熱源的影響可排除；電動機返廠后對軸承進行了拆解，更換了新軸承，并重新加注潤滑脂，再次試驗仍存在上述問題，因此軸承缺油的原因可排除；在工廠試驗階段，按照設計量進行潤滑脂加注，進行多次試驗并未解決該問題，試驗期間還將非驅動端軸承端蓋打開進行觀察，并未發現潤滑脂過多導致的潤滑脂擠出問題，據此排除潤滑脂過多的因素；電動機返廠后，工廠更換了新的軸承、重新加注潤滑脂，排除了潤滑脂中混入雜質的影響；電動機返廠后進行了拆解檢查，對轉子動平衡量重新進行測量，發現結果滿足要求，因此電動機轉子動平衡不滿足要求的因素可排除；為排查電動機轉子、電動機機座、軸承端蓋、軸承座的形位公差或尺寸公差，電動機返廠后進行了多次形位公差和尺寸公差的測量，并未發現問題，該影響因素可排除。仍待對外圈與端蓋間隙、軸與內圈過盈量、軸承游隙、軸承座結構剛度和電動機軸承配置進行深入分析。

由于電動機驅動端NU238ECM/C3圓柱滾子軸承相對深溝球軸承噪聲較大、抗擾力差，對安裝接觸面不平、軸承潤滑不良等因素較為敏感，隨著深溝球軸承承載能力、精度、質量的提高，行業內大型立式電動機的驅動端軸承越來越多的選用深溝球軸承。因此，將電動機軸承設計方案中驅動端軸承由NU238ECM/C3更換為6238/C3，形成2種電動機軸承配置進行對比試驗，參數見表3。

表3 2種軸承設計方案參數對比

外圈與端蓋間隙、軸與內圈過盈量以及軸承游隙的選擇均與游隙相關，因此，進一步對游隙和軸承座剛度2個因素進行深入分析。

2.2.1 不同因素對軸承游隙的影響

參考文獻[3]對軸承游隙進行計算，分析2種方案下不同因素對軸承游隙的影響。查SKF軸承手冊，軸承的游隙值見表4。軸承的軸向游隙與徑向游隙可以換算[7]，文中僅對軸承的徑向游隙進行計算。

表4 軸承徑向游隙值

1)根據不同方案的初始過盈量,計算了有效過盈量對軸承游隙的影響結果，如圖3所示。從圖中可以看出，有效過盈量對圓柱滾子軸承NU238ECM/C3的游隙影響最大，對角接觸球軸承7336BCBM的影響次之，對深溝球軸承6238M/C3的影響最小。

圖3 有效過盈量對軸承游隙的影響

2)軸承運轉過程中工作溫度逐漸升高，溫度升高將使材料產生線性膨脹。隨溫度升高，外圈膨脹使軸承游隙增大，內圈膨脹使軸承游隙減小，溫度升高對軸承游隙的影響需要綜合計算，結果如圖4所示。從圖中可以看出,隨軸承溫度增加，軸承游隙也隨之增加，溫度對角接觸球軸承7336BCBM游隙的影響最大，深溝球軸承6238M/C3的影響次之，圓柱滾子軸承NU238ECM/C3的影響最小。

圖4 軸承溫度對游隙的影響

3)電動機運轉過程中，離心力對軸承游隙的影響不可忽視，當內圈高速運轉時，內圈因離心力作用會膨脹，也會使軸承游隙減小。為此分析轉速對軸承游隙的影響，如圖5所示。從圖中可以看出，轉速對圓柱滾子軸承NU238ECM/C3游隙的影響最大。

2.2.2 軸承工作游隙計算分析

根據軸承工作游隙計算的方法[3]，將有效過盈量、軸承溫度、轉速對軸承游隙的影響進行疊加，可以得到軸承工作時的實際游隙。基于2.2.1節計算分析結論計算得出了軸承的實際游隙，并與軸承允許的工作游隙范圍進行對比，具體情況如圖6所示。

圖5 轉速對軸承游隙的影響

圖6 軸承工作游隙計算及對比分析

從圖中可以看出，深溝球軸承6238M/C3的工作游隙僅在常溫狀態下與其工作范圍契合較好，隨軸承溫度增加，軸承工作所需的游隙值超過了軸承游隙范圍；圓柱滾子軸承NU238ECM/C3的工作游隙在整個工作溫度范圍內，基本都落在軸承游隙范圍內，對比而言其使用性能優于深溝球軸承6238M/C3，因此驅動端軸承的配對方案1優于方案2；角接觸球軸承7336BCBM的工作游隙值遠遠超出了軸承游隙范圍，這就使得軸承工作游隙過小甚至為負值，導致軸承發熱量增大，進而導致軸承溫度升高，故需對該軸承的端蓋進行優化設計。

2.2.3 軸承座剛度分析

現有的非驅動端軸承座結構如圖7所示。

該軸承座采用分體結構設計，軸承端蓋、軸承座用螺栓連接，通過螺栓預緊力壓緊軸承并調節軸承的軸向游隙。一方面，電動機運轉時組焊件受熱膨脹及螺紋為間隙配合，且軸承座膨脹量與螺栓提升量不同步，從而可能影響軸承的軸向游隙。另一方面，軸承端蓋的原端板厚度僅40 mm，由此導致軸承端蓋的剛度較小，使軸承座抗干擾能力較弱，軸承內部工作游隙偏離，最終導致軸承運轉溫度升高。這與上一節對非驅動端軸承游隙的分析結果一致。

2.3 小結

綜上分析，導致非驅動端軸承溫度高的主要原因為：1)軸承端蓋與軸承外圈配合公差選擇過小，導致軸承徑向游隙減小；2)由于軸承座與端蓋之間采用螺栓緊固的方式，可能對軸承工作游隙造成影響；3)軸承端蓋厚度過小，使端蓋剛度減小，降低了軸承座的抗干擾能力。

3 改進措施

針對上述分析，對軸承座結構進行了優化改進，具體措施如下：

1) 根據計算結果，為減小軸承座與軸承外圈配合的影響，將軸承外圈與軸承座的配合公差K7改為H7。

2) 為減小螺栓緊固對軸承游隙的影響，對軸承內端蓋結構進行優化，將內端蓋頂起部位單面加厚10 mm，如圖8所示。

3) 為增加軸承端蓋的剛度，對電動機非驅動端端蓋進行重新設計，提升軸承座剛度，將軸承端板厚度由原來的40 mm增加至60 mm(圖9)，并將軸承座內徑的配合尺寸進行優化調整。

4) 為增加軸承座的儲油能力，將擋油盤外徑單邊增加1 mm，如圖10所示。

圖8 優化的軸承內端蓋

圖9 加厚的軸承端板

圖10 優化的擋油盤

通過以上措施，再次進行試驗驗證，非驅動端軸承運轉溫度明顯下降。優化前后的試驗數據如圖11所示，優化后的非驅動端軸承滿足了電動機長期安全穩定運行的需求。

圖11 優化前后非驅動端軸承溫度對比

4 結束語

對可能導致該電動機中軸承溫度高的因素進行了逐一的分析研究，最終判定導致軸承溫度高的主要原因為：軸承端蓋與軸承外圈配合公差選擇過小，軸承座與端蓋緊固方式不當，軸承端蓋剛度過小。基于上述原因分析，對電動機軸承座進行了優化改進，并對結構進行改進，有效地解決了軸承溫度高的問題。