混流通風自潤滑電機軸承結構的研究

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(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

目前國內外電機公司高壓方箱電機通風結構主要分兩種，分別為徑向通風結構和混流通風結構[1]。大極數電機多采用混流通風結構，混流通風結構最大的優點是電機內、外部溫度場換熱充分，電機冷卻效果好。但整體電機的軸向溫度梯度較大，而且內風扇側軸承溫度相對偏高。特別是對于滑動軸承自潤滑結構，由于滑動軸承與軸之間屬于線性摩擦，摩擦系數較滾動軸承大很多，所以發熱量也比滾動軸承大很多；同時由于自潤滑結構，熱量僅能依靠軸承自身進行散熱，而強迫潤滑則可由潤滑油將大部分熱量帶走，加之電機內部熱風的影響，進一步導致內風扇側軸承溫度升高。

本文研究的目的是通過對混流通風自潤滑電機不同軸承結構的設計，并對其進行試驗對比分析，最終確定能夠有效降低混流通風自潤滑電機內風扇側軸承溫度的軸承結構，從而為今后混流通風自潤滑電機軸承結構的設計奠定基礎。

1 軸承結構的設計及對比分析試驗

本次研究共設計了四種不同軸承結構，并對新設計的軸承結構進行整體電機溫升試驗、將新設計的軸承結構與原結構的軸承溫度進行對比分析，具體如下。

1.1 軸承上方增加擋風板結構

為了減小混流通風結構內風扇側熱風對自潤滑電機軸承溫度的影響，在內風扇側端蓋上安裝玻璃鋼擋風板，擋風板延伸至風扇平衡環下方，盡可能減小擋風板與風扇間距離，以達到阻隔熱風的目的[2]，如圖1所示。試驗對比分析結果如表1所示(表中軸承溫度均為折算到環境溫度40℃后的溫度，以下均同)。

圖1 軸承上方增加擋風板結構

表1 試驗對比

通過試驗數據對比可以看出：軸承上方增加擋風板結構對軸承溫度并無太大改善作用。分析其原因，首先由于考慮到實際裝配的可操作性，擋風板與風扇間需留出一定空間，避免與風扇刮蹭，因此，擋風板并未將全部熱風隔離；其次當電機內部達到一個熱平衡狀態后，熱量最終也會穿越風扇輻板、擋風板后傳遞到軸瓦，引起軸承溫度升高。因此，采用軸承上方增加擋風板結構，不能有效解決混流通風自潤滑軸承溫度偏高的問題。

1.2 軸承外側安裝軸流風扇結構

為了增加自潤滑電機軸承表面散熱能力，在軸承外側安裝一個軸流風扇及擋風罩，通過加快空氣流動，帶走軸承表面熱量[3]。前文已經提到，內風扇側軸承溫度受電機內部熱風影響較大，所以僅需在內風扇側軸承外側端增加軸流風扇即可，如圖2、圖3所示。試驗對比分析見表2。

圖2 軸承外側安裝軸流風扇結構圖

圖3 軸承外側安裝軸流風扇效果圖

表2 試驗對比

通過表2試驗對比分析可以看出，兩臺電機在內風扇軸側承外側增加軸流風扇后，軸承溫度分別下降了9.2℃和11.6℃。因此可以得出結論：采用軸承外側增加軸流風扇結構，能夠有效解決混流通風自潤滑電機軸承溫度偏高的問題。

1.3 更改軸承類型

國內高壓方箱滑動軸承電機，滑動軸承大部分采用DQY-B型軸瓦(見圖2)，該種軸瓦約有1/3部分安裝于電機內腔，減小了電機整體長度的同時，提高了電機整體剛度。但同時也受混流通風結構內風扇側熱風影響較大，所以對于自潤滑軸瓦溫度偏高的電機，可采用DQZ型軸瓦，如圖4所示。該種結構軸承大部分腔體在電機外部，減小了受電機內部熱風的影響。試驗對比見表3。

圖4 DQZ型軸承結構

表3 試驗對比

通過表3試驗對比分析可以看出，兩臺電機在采用DQZ型軸瓦后，內風扇側軸承溫度分別下降了4.5℃和5.1℃。因此可以得出結論：采用DQZ型軸瓦，能夠降低混流通風自潤滑軸承溫度，但是效果有限。

1.4 軸承中增加冷卻水管結構

滑動軸承熱量源于軸承內部瓦球與軸的摩擦，為了有效將自潤滑電機軸承內部熱量帶走，通過在軸承內部增設冷卻水管，外部為用戶預留法蘭接口，通過外接冷卻循環水將軸承內部熱量帶走，如圖5、圖6所示。對比試驗見表4。

圖5 軸承內部增加水管結構圖

圖6 軸承內部增加水管圖

表4 試驗對比

通過表4可以明顯看出，在軸承通入冷卻水后，伸、尾端軸瓦分別降低了15.5℃和18.1℃，降溫效果非常明顯。由此可以說明：采用軸承中增加冷卻水管結構，能夠有效解決混流通風自潤滑軸承溫度偏高的問題。

1.5 小結

通過上述軸承設計方案及試驗數據對比分析可以看出：采用軸瓦上方增加擋風板結構不能有效解決混流通風自潤滑軸承溫度偏高的問題。采用DQZ型軸承替換DQY-B型軸承結構，能夠降低軸承溫度，但是降低幅度較小；通過采用軸承外側安裝軸流風扇結構，軸承軸瓦溫度能夠降低9～11℃；采用軸承中增加冷卻水管結構，軸承溫度可降低15～18℃；因此可以得出以下結論：混流通風自潤滑電機中;通過采用軸承外側安裝軸流風扇結構、軸承中增加冷卻水管結構均能有效解決混流通風自潤滑電機軸承溫度偏高的問題。

2 結語

軸承在電機中起著支撐軸和其它旋轉部件的作用，是極為重要的零部件。軸承溫度高會引發電機振動、軸承異響、甚至電機抱軸等故障發生。因此軸承結構設計是電機設計中極為重要的一個環節。本文以混流通風自潤滑電機軸承結構作為研究及試驗分析，并從中推薦出解決混流通風自潤滑電機軸承溫度高的軸承結構設計方案，希望能夠給予從事電機設計工作人員一定借鑒和幫助。

[1] 楊海燕.電機通風散熱的基礎性研究.重慶市電機工程學會2010年學術會議論文集，2010.

[2] 張勝男,王春瑞,于京平.高壓方向電機內部三維溫度場計算與分析.防爆電機，2015.4.

[3] 陳世坤.電機設計.北京：機械工業出版社.2000.