一起由波形弹簧引起的电机故障原因分析
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摘 要：本文的研究对象是一台冷却水泵电机，在正常运行中突然跳闸停机，通过查阅电机维护工单、巡检记录，润滑脂、轴承选型校核，径向和轴向尺寸链测量，结合电机故障现象基本还原了电机故障起始及发展过程，最终确定了造成电机故障的原因，为同类型电机的维护提供了有价值的经验反馈，避免同类型故障的重复发生。
关键词：电机 轴承 波形弹簧 轴向载荷
中图分类号：TM30 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）06（c）-0065-02
1 电机相关参数及维护历史
1.1 电机参数
故障电机型号为HY280M-2，功率90kW，转速2978r/min，电源频率50Hz，三角形接法，防护等级IP55，额定电压：380V，额电流：161A，功率因数：0.89，工作制：S1（连续工作制），绝缘等级：F，电机整机重量：612kg，两端轴承型号6314/C3。
1.2 故障前设备状态
电机故障前一直保持正常运行，定期巡检中轴承温度一直保持在75℃报警标准以下，机体温度最高时62℃，同样也远低于F绝缘等级电机的绕组温度限值。
最后一次检修于2019年8月执行预防性解体大修，调查检修过程，电气参数正常，端盖尺寸配合复合操作程序要求，修后实验电机运行电流、振动水平合格。
2 电机故障现象
2019年11月8日晚电机在运行中突然跳闸。电机外观检查，非驱动端无异常，驱动端端盖高温，油漆发黑，外轴承盖高温发白，电机转子卡死。
解体大修，电机扫膛，定子铁芯驱动端槽口位置铁芯磨损，定子绕组接地。转子铁芯驱动端位置磨损，三根笼条疑似断裂，驱动端轴颈与外轴承盖配合位置磨损严重。轴承散架，保持架断裂卡死在滚道中，内圈严重磨损，波形弹簧被压平。
3 故障发展过程
通过电机外观及解体检查的现象推断，故障的起点在驱动端轴承位置，由于某种原因造成了轴承运行过程中阻力增大，打破轴承热平衡，轴承温度逐渐升高，高温造成润滑脂过度分油，基础油逐渐流失，性能下降、失效。轴承失去润滑后温度进一步升高，轴承保持架不能正常引导滚动体，同时在高温下保持架开始软化变形，被滚动体碾压断裂轴承卡死，转子失去径向定位，部件与转子发生接触。在高温状态下轴承内圈与轴配合过盈量减小，甚至达到间隙配合的程度，摩擦力急剧减小，轴在轴承内圈中发生转动，虽然此时电机负载有所增加但是仍未达到热继电器动作阈值，转子仍在旋转，轴颈与轴承室外盖接触磨损，电机气隙消失，定转子发生扫膛，最终伤及绕组，触发漏电保护开关跳闸。
4 根本原因分析
4.1 故障过程假设
根据现有的现象，将轴承损坏作为电机最终故障损坏的故障起因是合理且符合逻辑的，但是造成轴承故障的前置原因尚无法作出准确判断，作如下几种可能的假设并逐一进行验证。
第一，轴承因为本身承载能力不达标而出现提前失效;
第二，润滑脂性能不能满足电机运行工况的要求，不能为轴承提供足够的润滑，最终造成轴承润滑不良而失效;
第三，电机因部件尺寸链不合理，造成轴承存在不当载荷而提前失效。
4.2 轴承选型核算
电机两端使用的轴承都是SKF6314/C3型轴承，按照轴承寿命简化计算公式[1]：
电机预防性解体周期1.5年，以此为预期寿命反向计算轴承的承载能力，SKF6314/C3 型轴承可以支撑的转子重量为812kg，而该电机整机重量为612kg，轴承的承载能力满足设备运行要求。
4.3 润滑脂性能核算
该电机使用的润滑脂是美孚2号通用锂基脂。2号通用锂基脂的运行温度范围从-20℃～120℃，近似粘度为70mm2/s。根据轴承型号、电机转速、运行温度核算得到的额定运行粘度为22mm2/s，润滑脂的承载性能完全能够满足电机的运行要求，同时根据润滑脂运行温度指示[2]，轴承实际运行温度也在润滑脂最佳性能区间内，而且轴承在2019年8月的电机预防性解体大修期间更换了全新的润滑脂，轴承可以保证充分的润滑。
4.4 部件配合尺寸校验
根据电机预防性解体大修的测量数据，电机两端轴承径向配合尺寸满足标准要求。
电机轴向配合尺寸经过测绘，电机非驱动端轴承室宽度35.3mm为定位端，驱动端轴承室宽度36.68mm为浮动端，轴承宽度35mm，非驱动端为定位端，驱动端为自由端。C3系列轴承径向游隙的范围为0.025～0.051mm，据径向游隙标准查表（表1）计算所得轴向游隙标准为0.35～0.42mm。
根据转子热膨胀量公式[1]：
核算得到转子在运行中轴向膨胀量为0.65mm，根据端盖测绘数据，电机浮动端间隙1.68mm。轴承轴向游隙取最大0.42mm时，整个转子轴向自由膨胀量最大为2.1mm。轴向游隙取最小0.35mm时，转子轴向自由膨胀量最小为2.03mm。
波形弹簧型号D150，自由高度4.6mm，金属厚度0.9mm，波数6，实验高度3mm时最大弹力700N，最小弹力500N，按照转子正常运行时0.65mm的热轴向热膨胀量，波形弹簧实际的工作高度在1.45mm到1.38mm之间。
根据波形弹簧的性能曲线（图1），随着工作高度减小波形弹簧产生的轴向推力是线性增加的，当波形弹簧工作高度接近金属厚度0.9mm时，轴承承受的轴向力将脱离线性急剧增加。
电机运行中随着转子温度升金属受热膨胀，轴承的轴向游隙逐步消失，然后推动轴承在轴承室内移动，波形弹簧被进一步压缩，按照性能曲线，其理论工作高度范围为1.38～1.45mm，对应弹力1484～1557N，如果考虑到转子长度的加工余量，波形弹簧的工作高度实际还将有一定程度缩小，假设两端轴承档间距按照增加0.3mm来计算，波形弹簧工作高度范围为1.08～1.15mm，对应弹力为1897～2049N之间。当波形弹簧高度为0.925mm，轴向载荷为35.4kN，6314轴承轴向载荷要求小于34kN[2]。
电机用D150型波形弹簧实验高度3mm，位于性能曲线线性区域的中部，但是根据尺寸校验，故障电机波形弹簧的工作区域已经进入非线性区域且接近压平，造成轴承在运行中承受过大的轴向载荷而提前失效。电机解体中被压平的波形弹簧（见图2）也可证明上述判断。
5 结语
由于电机稳定运行时转子热膨胀使波形弹簧工作高度进入非线性区域，造成深沟球轴承承受过大的轴向载荷，最终提前失效。
波形弹簧的性能曲线分为线性区和非线性区，线性区内波形弹簧的弹力与工作高度成比例变化，但是当工作高度进入非线性区时，随着工作高度的缩小，弹力会脱离原比例迅速增加。实际检修中需要控制电机轴向间隙，让波形弹簧工作在线性区，保证在工况变化时波形弹簧与轴承达到动态吻合，既能为轴承提供合适的预负荷同时又不至于进入非线性区域，让轴承承受过大的轴向载荷，对轴承寿命产生不利影响。
参考文献
[1] 闫丁.FU68系類芯片在井下冷却水泵电机中的应用[J].山西能源学院学报，2019，32（1）：30-32.
[2] 俞学成.核电站循环冷却水泵电机定子绕组温度高原因分析与处理[J].电工技术，2016（9）：86-87.
[3] 郑煜，王凯，杨利红.滚动轴承早期故障优化自适应随机共振诊断法[J].轻工机械，2020，38（2）：74-76，83.
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