風機類負載用高壓三相異步電動機稀油潤滑結構的研究

佳木斯電機股份有限公司□歷 銳

風機用高壓隔爆型三相異步電動機主要用于拖動主通風機負載，使用場所以煤礦為主，電機的工作條件惡劣，電動機軸承很容易損壞。軸承運行時受力復雜，即受葉輪的徑向重力載荷和軸向推力載荷，還受到由于粉塵引起的葉輪不平衡力以及進氣不均勻引起的交變載荷。為解決軸承故障問題，本文采用稀油潤滑滾動軸承結構，并進行研究分析。該結構加工工藝和裝配工藝合理可實現、密封系統和潤滑系統結構簡單、運行可靠、維護方便。

1 稀油潤滑結構的工作原理

該軸承結構伸端為一個雙列球面滾子軸承22228_CC/W33，尾端軸承為一個雙列球面滾子軸承和兩個球面滾子推力軸承22224_CC/W33+2×29324_E。球面推力滾子軸承是一種自調心軸承，能承受軸與軸承座之間的不對中，例如由軸撓曲導致的不對中。后綴為E的軸承具有較大的滾子和優化內部設計，以提高承載能力。

該軸承結構的關鍵點在于球面滾子推力軸承和球面軸承的采用，球面滾子推力軸承和球面軸承可以使軸系在軸向浮動，解除了傳統設計的多余約束，使結構從靜不定結構變為靜定結構。

2 典型規格電動機轉子模態分析

振動造成電機共振或疲勞的關鍵因素之一。當軸承結構改變時會引起轉子軸系的變化，因此需要對電機轉子校核剛度以及固有頻率，避免共振危害。

（1）分析用基本數據

1）電機基本數據

電機型號：YBF 560-8 315kW（10kV）

轉子重量：G=1060kg

有效鐵心長度：L=59cm

風道數量：10

轉子外徑：D=53.7cm

單邊氣隙：δ=0.15cm

單邊磁拉力：F0=1118kg

同步轉速：n=750r/min

2）計算所需材料的基本數據

見表1。

表1 材料的基本數據

（2）轉子結構有限元預應力模態分析

在電動機轉子高速旋轉時，由于離心慣性力的存在，將影響系統的剛度進而影響轉子的共振頻率。進行模態分析前需預先進行整體轉子的應力計算，由于分析的整體振動特性，在局部應力集中處的應力值的大小對整體振動特性影響可不計，影響因素是質量產生的離心慣性力的分布，因此在局部應力集中處沒有加密網格劃分。網格劃分如圖1所示，在電機工作轉速下由離心慣性力產生的Von Mises應力如圖2所示。

圖1 預應力模態分析網格模型

圖2 模態分析的Von Mises預應力分布示意圖

按工程應用慣例分析了前五價模態，模態分析計算結果云圖如圖3～圖7所示，圖中給出了共振出現時的最大總變形量也就是空間各點的振幅的云圖和數值標示以及共振出現的固有頻率值，圖中振動頻率單位為Hz（赫茲），變形單位為mm（毫米）。

有限元分析結果見圖3~圖7。

圖3 一階臨界轉速總變形分布示意圖

圖4 二階臨界轉速總變形分布示意圖

圖5 三階臨界轉速總變形分布示意圖

圖7 五階臨界轉速總變形分布示意圖

圖6 四階臨界轉速總變形分布示意圖

（3）有預應力的模態分析結果

電動機轉子旋轉時受離心載荷作用，離心慣性力的存在改變了系統的剛度，其固有頻率和振型與轉子處于靜態時不同，模態分析時應該在預應力狀態下進行。見表2。

表2 各階模態振型計算結果

（4）結果分析

由圖3可知，當電動機轉子出現一階共振時，對應的電動機轉速為n＝4394.88r/min，電動機轉子為軸向共振，振幅最大，對電機轉子結構的破壞力最強。構成電動機轉子的全部組件都出現了同相位共振，電動機整機的振動最為嚴重，整個機殼甚至機座都會發生強烈的振動，產生的噪聲也最為強烈，推力軸承最容易迅速發生疲勞斷裂，應該加以規避，避免共振發生。

（5）典型規格電動機的滾動軸承疲勞壽命核算

1）電機基本數據

電機型號：YBF 560-10 355kW（10kV）

轉子重量：G=1060kg

有效鐵心長度：L=59cm

風道數量：10

轉子外徑：D=53.7cm

單邊氣隙：δ=0.15cm

單邊磁拉力：F0=1118kg

同步轉速：n=750r/min

最高轉速：n=900r/min

伸端軸承：22228_CC/W33（固定端）

尾端軸承：29324_E+22224_CC/W33+29324_E

2）假定條件

①軸承計算按照額定轉速750rpm。

②潤滑油為32號汽輪機油。

③潤滑油溫度按照80攝氏度。

④潤滑油清潔度按照21/18。

⑤軸承軸向力為驅動端往非驅動端。

⑥軸承徑向力與重力方向一致。

3）滾動軸承疲勞壽命計算的依據

見圖8。

圖8 軸承的載荷-壽命曲線

圖8 是軸承的載荷-壽命曲線，它表示了載荷P與基本額定壽命L10之間的關系。此曲線用式（1）表示。

式中：P——當量動載荷（N）

ε——壽命指數

對于球軸承，ε＝3；對于滾子軸承，ε＝10/3。

（6）結論

經理論計算和軸承廠家的核算，該規格電動機在滿足10萬小時的要求可承受附加軸向力36kN、徑向力17kN，且在0.5倍最大軸向力和0.5倍最大徑向力的同時作用下，軸承壽命也可滿足要求。

3 結語

風機用隔爆型高壓三相電動機主要用于拖動主通風機設備，在煤礦、礦山等場所，礦用主通風機是重要的通風設備，其設備的可靠性要求非常高，關乎所有井下工作人員的生命安全，為此風機用隔爆型高壓三相電動機的安全性、穩定性、可靠性等指標將是非常重要的，其直接影響電動機制造企業的品牌效應及競爭力。