沈蔚
（中國石化（huà）上海石油化工股份有限公司公用事業部）
【摘 要】針對同一台高壓交（jiāo）流（liú）電動機反複出現軸（zhóu）承故障的現象（xiàng），分析闡述了交流電動機（jī）內外部軸（zhóu）電壓產生的原因，由於軸電（diàn）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（gēn）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（jié）合電（diàn）動機（jī）檢修管理的實踐經驗，提出了（le）軸電（diàn）流的防止措施和設防建議措施（shī）。
關鍵詞：交流電動機；軸承損傷（shāng）；軸（zhóu）電流；分析；措施（shī）
由於高壓交流電動機的磁路磁場不對稱、漏（lòu）磁、剩磁、軸向磁阻變化（huà）和外部靜電感應、外部電源介入等原因，運行中（zhōng）的交流高壓電動機會產生軸電流（liú）。而軸電（diàn）流對電動機的（de）軸承和軸瓦造成嚴重損傷，出現軸（zhóu）承狀態監測數據惡化，嚴重時會使軸承燒（shāo）損，而軸承或軸瓦損壞及更換（huàn）帶來的直接和間接經（jīng）濟（jì）損失也不可（kě）低估。因此必須高度重視和防範交（jiāo）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（běn）富士公司於1997年4月製造，為560kW，4極6kV的增安型電動機，其軸伸端軸承（chéng）為6226C3和（hé）NU226MC3，非軸伸端軸承為NU226MC3。該電動機投用以（yǐ）來一直運轉平穩，但在2011年1月5日（rì）因電機（jī）非負荷端的冷卻進（jìn）風口(下進風口)被保溫塑料薄膜（mó）吸堵，引起軸伸端軸（zhóu）承超溫運行，造成軸伸端軸承抱軸故障（zhàng），同時出現（xiàn）電動機負荷（hé）側定轉子的（de）部分掃膛（táng），經搶修後投入正常運行。運行3個月左右，該電動機軸承狀態衝擊脈衝(SPM)監測數（shù）據明顯惡化，當時懷疑軸承質（zhì）量有問題，不（bú）得已安排更換軸承並再次投入運行。但2011年10月該電動機軸承狀態SPM監測（cè）數據再次惡化，經對檢修拆解（jiě）軸承的（de）觀察分析，發現NU226MC3軸（zhóu）承內圈有明顯的搓板樣條形燒（shāo）傷（shāng）痕跡，判斷（duàn）為軸電流引起的軸承燒損故障。為（wéi）此采取防（fáng）止產生軸電流的（de）措施，在非（fēi）負荷端改用SKF絕緣軸承，之後該（gāi）電動機正常（cháng）運行至2015年12月（yuè），才因負荷端軸承保持架（jià）突（tū）然（rán）疲勞故障安排了檢修。期間SPM軸承狀態監測數據仍保持（chí）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（yīn）分析
交流電（diàn）動機是在正弦交變的電壓下運（yùn）行（háng）的，電動機的轉（zhuǎn）子是在正弦交變的（de）磁場中運（yùn）行。由於存在扇形衝片與極對數關係不正確（què），矽鋼片鐵芯材料的方向性等疊加因素，鐵芯槽、通風孔等存在剩餘磁通等問題，使電動機內部的磁路中（zhōng）產（chǎn）生不平衡的磁阻，電動機中便產生與軸相交鏈的交（jiāo）變磁通，在軸的（de）兩端（duān）感應出軸電壓。該（gāi）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（lù），將有軸電流產生。
幾乎所有的電動機運轉（zhuǎn）時或多或少都（dōu）會產生某（mǒu）種水（shuǐ）平的軸電壓（yā），除了電（diàn）動機內部因磁路中磁（cí）阻不平（píng）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（shēng）的、外部測控元件電源的介入產生的（de）以及負載方麵的流體與旋轉體相互間的摩擦而在旋轉體形（xíng）成靜電荷積累產生的軸電壓。隻要（yào）軸電壓高於某一特定水平，就是一種故障隱患[1]。電動機所容許的軸電壓（yā）、軸電流（liú）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（děng）許多因素（sù）有關。相對於滑動軸承，滾動軸承由於滾珠（zhū）(滾柱)與軸承內外圈滾道的接觸麵積更小，電流密度更大，對軸電流（liú）的敏（mǐn）感（gǎn）度比（bǐ）滑動軸承更大，凡（fán）有軸（zhóu）電（diàn）流的電動機（jī），由於轉（zhuǎn）軸硬度及機械強度比軸承燒熔合金的高（gāo），通常表現出來的症狀是軸承（chéng）內表麵被壓出條狀電弧傷痕，於是在軸承內表麵形成凹坑或凹槽。拆下滾動軸承檢查，發現軸（zhóu）承內外圈滾道上有（yǒu）像洗衣搓板樣的條形損傷痕跡，這是（shì）軸（zhóu）電流（liú）對滾動軸承破壞（huài）的共同特征[2]。此現象產（chǎn）生（shēng）的（de）原因是在滾珠或滾柱在碾壓接觸的地方接觸電阻很小（xiǎo），並將潤滑油脂擠向兩側，當滾動體將要離開原位置時，產（chǎn）生小間隙，此時就（jiù）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（zhóu）電流對滾動軸承造成的危害主要體現在以（yǐ）下（xià）幾方麵：
(1)由於電弧放（fàng）電和電離，電動機軸承（chéng）內的潤滑（huá）劑劣化加速，導致（zhì）潤滑性能和介電強度降低；
(2)軸電流在轉軸（zhóu）和軸承內表麵將產生許多電蝕（shí）點，破壞了軸承與轉軸的良好（hǎo）配（pèi）合，破壞油（yóu）膜形成（chéng）條件；
(3)軸承運行溫度升高，噪聲（shēng）和振動加劇，甚（shèn）至伴有潤滑油脂流出；
(4)過（guò）大（dà）的軸電流密度（dù）甚至會造成（chéng）嚴重的灼傷（shāng），在軸承滾道表麵形成不可逆的麻點(凹（āo）坑)和凹槽；
(5)在爆炸性危（wēi）險環境運行的電動機，過大的軸（zhóu）電（diàn）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（zhóu）承的Z大電流密度不得超過1.5A/mm2，否則軸承性能將嚴（yán）重惡（è）化，損害輕微的（de）可運行上（shàng）千小時，嚴重的甚至隻能運行幾（jǐ）小（xiǎo）時，給現場安全生產帶來極大的影響。美國電氣製（zhì）造商協會編寫的NEMAMG1標準規定，按IEEE112《多相感應電動機試驗標準》進行（háng）試驗，給出了不同軸電壓、軸電流水平對電動（dòng）機軸（zhóu）承造成的影響，通常（cháng）以表1和表2所示規定（dìng）作為電（diàn）動機軸電壓和軸電流的參考[1-2]。
表1 軸電壓（yā）對軸承的影響
表2 軸電流對軸（zhóu）承（chéng）的影響
根據表1和表2的參考（kǎo）限值：對於滑（huá）動軸承，軸電壓小（xiǎo）於0.5V，軸（zhóu）電流小於10A，基本無燒蝕，可滿足正常（cháng）穩定運行；而對（duì）於滾動軸承，軸電壓小於0.3V，軸電流小於1A，一般滾動（dòng）軸承才能滿（mǎn）足正常穩定運行。
E-GA120B電動機次故障運（yùn）行前後，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（wài）部原因引（yǐn）起軸電流的可能，因此隻能從電動機本身尋（xún）找原因（yīn）。該電動機故障（zhàng）前運行（háng）狀態平穩正常，說（shuō）明設計製造時（shí），磁路磁場對稱性控製很好，軸電壓和軸電流滿足正常運行（háng）要求。而當該電動機出現抱軸和負荷側部分掃膛故障後，電動機磁路磁場的對稱性遭到破（pò）壞，導致磁阻（zǔ）不平衡(檢修後仍存在矽鋼片粘連，使（shǐ）得磁性材料定向屬（shǔ）性發生變化以及氣隙不均（jun1）勻等現象)，產生超出正常運行要求的軸電壓。又由於該電動（dòng）機在（zài）阻斷軸電流方麵沒有采取任何設防措（cuò）施（shī），使得電動機前後軸承內外圈、軸（zhóu）承室、機座形成了（le）閉合（hé）回（huí）路，於是（shì）產生（shēng）了超出正常（cháng）運（yùn）行要求（qiú）的軸電流，加劇（jù）了軸承的損傷，縮短了軸承使用（yòng）壽命。
對有（yǒu）害的軸電壓和軸電流可通過兩種方法來判（pàn）別[1]：一是通過電動機試驗平台檢測軸電壓的方式；二是通過觀察拆解下來的故障滾動軸承來判別，凡（fán）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（bǎn）樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對滾動軸承破壞的共同特（tè）征。根據以（yǐ）上分析，該（gāi）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（sǎo）膛，造成電動機磁（cí）路磁阻不（bú）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（yǒu）損害（hài）的，隻（zhī）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（yī）是軸承內圈和軸承外圈、軸承室、機座（zuò）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（jí）軸電壓。上述兩個（gè）條件隻要有一個不具備，就不會產生軸電流（liú）。
實際製造、使用（yòng）、檢修過程中，通常采取的防止措（cuò）施：一是阻斷形成軸電流的閉合回路；二是在電動機轉（zhuǎn）軸（zhóu）上安裝旁路電（diàn）刷。在阻斷形成軸電流的閉合回路方麵（miàn），可采取的途（tú）徑和方法有（yǒu）：
(1)在電動機（jī）非負荷端直接采用絕（jué）緣軸承，此方法簡單、有效、可靠，缺點（diǎn）是訂貨周期長（zhǎng），軸（zhóu）承更換費用高，可通（tōng）過有效的管理來克服(如加強與軸承供應商的聯係，落實庫存備件和保管措施（shī）等)。
(2)在電動機非負荷端采（cǎi）用絕緣（yuán）軸承室，軸承室是一個帶絕緣層的載體（tǐ），可通過對軸承室內表麵和端麵用等（děng）離子均勻噴塗50～100μm高性能耐熱陶瓷絕緣層，也可在端蓋軸承室嵌（qiàn）入隔套，套與端蓋間夾墊絕緣層，相應緊（jǐn）固內外蓋的螺（luó）栓加絕（jué）緣套管和絕緣（yuán）墊等措施。絕緣軸承室也有缺點:一是結構和工藝都相對複（fù）雜，絕緣層的製作需要專業廠家完成；二是電動機反複檢修容易損傷絕緣層，此類事故在同（tóng）企業另一台（tái）B-GB1101隔爆型860kW四（sì）極（jí）進口電動機的檢修過程中曾有發生，Z後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（yǐ）保證。
(3)對於滑動（dòng）軸（zhóu）承結構，通常的方法是在固定軸承部（bù）位加墊環氧玻（bō）璃布板，並緊固螺栓（shuān）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（xià），為了與負載機械保持開路（lù），還必須采用一（yī）些（xiē）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（kòng）製（zhì）設備（bèi）均要（yào）采取絕緣措施（shī）。
關於電動機轉軸上安裝旁路電（diàn）刷，其原理是破壞軸電（diàn）流形成的第二個條件，消（xiāo）除軸承內（nèi）外（wài）圈之間的（de）電位差，缺點是不適宜爆炸危險區域使用，僅適用（yòng）於由靜（jìng）電引起軸電（diàn）壓的消除。
在（zài）本案中，電（diàn）動機軸電（diàn）流的產生是由電動機內部引起的，根據上述防止（zhǐ）軸電（diàn）流的（de）措施，結合實際使用、檢修的可行（háng）性，決定對該交流高壓電動機非負荷端的軸（zhóu）承直接改（gǎi）用絕緣軸承，以（yǐ）阻斷（duàn）軸（zhóu）電流的閉合回路，從而（ér）消除軸電流對軸承（chéng）的損傷。
通過（guò）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年有餘（yú），減少了（le）因頻繁更換軸承帶來的直接和間接經濟損失。
3 結語（yǔ）
在使用滾動軸（zhóu）承的交流高壓（yā）電動機的檢修管（guǎn）理中，一（yī）旦發生軸承損壞和定轉子（zǐ）掃膛，在檢修中應特別注意軸承表麵痕跡。凡是軸（zhóu）電（diàn）流引起的軸承燒傷，都會在軸承內外圈跑道（dào）上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對（duì）軸承破壞的（de）共同特（tè）征。或者在檢修和（hé）試驗（yàn）時，建議檢測交流高（gāo）壓電動機軸兩端的軸電壓，並按是否大於（yú）300mV的標準來設防。對（duì）於在防爆危險環境中使用（yòng）的交流高壓（yā）電動機，隻能采取阻斷軸電流回路的方法（fǎ），主張在非負荷端直接（jiē）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（jī）大小、運行環境（jìng）、軸（zhóu）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（diàn）動機運行的可靠性。
本文轉（zhuǎn）自（zì）《石油化工技術（shù）與經濟》2016年01期
