佳木斯電機股份有限公司□歷 銳

風(fēng)機用高壓隔爆型三相異步電動機主要用于拖動主通風(fēng)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(fù)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(jié)構(gòu)，并進行研究分析。該結(jié)構(gòu)加工工藝和裝配工藝合理可實現(xiàn)、密封系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便。

1 稀油潤滑結(jié)構(gòu)的工作原理

該軸承結(jié)構(gòu)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(diào)心軸承，能承受軸與軸承座之間的不對中，例如由軸撓曲導(dǎo)致的不對中。后綴為E的軸承具有較大的滾子和優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計，以提高承載能力。

該軸承結(jié)構(gòu)的關(guān)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(tǒng)設(shè)計的多余約束，使結(jié)構(gòu)從靜不定結(jié)構(gòu)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)。

2 典型規(guī)格電動機轉(zhuǎn)子模態(tài)分析

振動造成電機共振或疲勞的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)軸承結(jié)構(gòu)改變時會引起轉(zhuǎn)子軸系的變化，因此需要對電機轉(zhuǎn)子校核剛度以及固有頻率，避免共振危害。

（1）分析用基本數(shù)據(jù)

1）電機基本數(shù)據(jù)

電機型號：YBF 560-8 315kW（10kV）

轉(zhuǎn)子重量：G=1060kg

有效鐵心長度：L=59cm

風(fēng)道數(shù)量：10

轉(zhuǎn)子外徑：D=53.7cm

單邊氣隙：δ=0.15cm

單邊磁拉力：F0=1118kg

同步轉(zhuǎn)速：n=750r/min

2）計算所需材料的基本數(shù)據(jù)

見表1。

表1 材料的基本數(shù)據(jù)

（2）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有限元預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

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

圖1 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析網(wǎng)格模型

圖2 模態(tài)分析的Von Mises預(yù)應(yīng)力分布示意圖

按工程應(yīng)用慣例分析了前五價模態(tài)，模態(tài)分析計算結(jié)果云圖如圖3～圖7所示，圖中給出了共振出現(xiàn)時的最大總變形量也就是空間各點的振幅的云圖和數(shù)值標(biāo)示以及共振出現(xiàn)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(jié)果見圖3~圖7。

圖3 一階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

圖4 二階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

圖5 三階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

圖7 五階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

圖6 四階臨界轉(zhuǎn)速總變形分布示意圖

（3）有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果

電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時受離心載荷作用，離心慣性力的存在改變了系統(tǒng)的剛度，其固有頻率和振型與轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)時不同，模態(tài)分析時應(yīng)該在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下進行。見表2。

表2 各階模態(tài)振型計算結(jié)果

（4）結(jié)果分析

由圖3可知，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)一階共振時，對應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)速為n＝4394.88r/min，電動機轉(zhuǎn)子為軸向共振，振幅最大，對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的破壞力最強。構(gòu)成電動機轉(zhuǎn)子的全部組件都出現(xiàn)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(fā)生強烈的振動，產(chǎn)生的噪聲也最為強烈，推力軸承最容易迅速發(fā)生疲勞斷裂，應(yīng)該加以規(guī)避，避免共振發(fā)生。

（5）典型規(guī)格電動機的滾動軸承疲勞壽命核算

1）電機基本數(shù)據(jù)

電機型號：YBF 560-10 355kW（10kV）

轉(zhuǎn)子重量：G=1060kg

有效鐵心長度：L=59cm

風(fēng)道數(shù)量：10

轉(zhuǎn)子外徑：D=53.7cm

單邊氣隙：δ=0.15cm

單邊磁拉力：F0=1118kg

同步轉(zhuǎn)速：n=750r/min

最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動端往非驅(qū)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(jù)

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(guān)系。此曲線用式（1）表示。

式中：P——當(dāng)量動載荷（N）

ε——壽命指數(shù)

對于球軸承，ε＝3；對于滾子軸承，ε＝10/3。

（6）結(jié)論

經(jīng)理論計算和軸承廠家的核算，該規(guī)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(jié)語

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