离心风机皮带张紧力对电机轴承寿命的影响_周维府.pdf

2023年第3期 47 摘 要：某核电厂运维人员在执行电缆层通风系统电机测振时，先后发现5台离心风机电机的轴承在运行过程中出现故障频率。通过一系列检测和分析，确定了电机轴承频发故障频率的根本原因，并制定了优化改进措施，最终彻底消除了设备的安全隐患。关键词：核电厂电缆层通风系统电机故障频率 中图分类号：TM306 文献标志码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2023.03.012 Abstract:Itisfoundthatfailurefrequenciesoccursuccessivelyfromthebearingsoffivesetsofcentrifugalfanmotorsduringoperationwhentheoperationalandmaintenancepersonnelofanuclearpowerplantperformsthevibrationmeasurementonthemotorinthecablelayerventilationsystem.Throughaseriesoftestsandanalysis,therootcauseofthefailurefrequencyfrequentlyoccuredfromthemotorbearingsisdeterminedandoptimization&improvementmeasuresareformulated,finallytoeliminatethesafetyhazardsoftheequipmentthoroughly.Keywords:nuclearpowerplantcablelayerventila-tionsystemmotorfailurefrequency离心风机皮带张紧力对电机轴承寿命的影响周维府刘大明张学军阳江核电有限公司（529941）The Influence of Belt Tension of Centrifugal Fan on Motor Bearing LifeZHOU Weifu LIU Daming ZHANG XuejunYangjiangNuclearPowerCo.,Ltd.（529941）1 电缆层通风系统(DVE)电机结构及作用 某核电厂每台机组由14台DVE风机为安装在LX厂房的电缆、蓄电池和其他相关设备提供通风，以确保适当的换气条件和环境温度。离心式风机电机的安装方式见图1。电机和风机安装于同一机座上，通过皮带和皮带轮将两者连接，实现功率传递。皮带张紧力应调整至合理范围内，既要保证皮带运行过程中无打滑，又图1 离心风机结构图要避免张紧力过大而损坏电机和风机轴承。选用的SPZ皮带及皮带轮为欧标皮带轮的常用型号，属于标准件。DVE电机为380 V鼠笼式三相异步电机，主要由定子、转子和轴承等部件组成，见图2。轴承为电机内部主要静转动部件，轴承内环随转子高速旋转，轴承外环固定于端盖轴承室。图2 电机结构示意图 故障电机配置的轴承型号为6204-2Z/C3和 48 2023年第3期6205-2Z/C3，均为深沟球轴承，主要结构为内环、外环、滚珠和保持架。电机运行时，皮带施加载荷至转子上，最终通过转轴传递至轴承的内环、外环和滚珠上。2 DVE电机轴承故障频率原因分析2.1 现场检查及频谱分析 通过现场检查，电机出现故障时轴承均存在金属摩擦声，测量电机振动值，均有不同程度的上升。图3为1#DVE电机轴承故障频谱，对图3进行分析可知，振动频率尖峰属于保持架及滚子旋转频率（或倍频），判断为保持架及滚子存在故障频率。2#DVE、3#DVE、4#DVE和5#DVE电机轴承运行频谱均与1#DVE电机频谱一致，均为保持架及滚子存在故障频率。图4 故障轴承目视检查2.2 故障轴承检查 解体故障电机，目视检查轴承情况，发现3#DVE和4#DVE电机驱动端轴承外环滚道存在有约1 mm2的剥落现象，其他电机轴承的滚珠表面存在因磨损产生的猫眼，见图4。使用体视显微镜观察2#DVE和5#DVE电机轴承内圈和外圈滚道，发现两个轴承外圈滚道均有大量压伤痕迹，轴承内圈滚道存在压伤或划伤痕迹，见图5和图6。图5 2#DVE电机轴承内外圈滚道损伤痕迹（a）内圈（b）外圈图6 5#DVE电机轴承内外圈滚道损伤痕迹（a）内圈（b）外圈 观察滚子微观形貌，可见2#DVE电机轴承滚子表面存在剥落现象，见图7；5#DVE电机轴承滚子表面存在大量划痕，见图8。图7 2#DVE电机轴承滚子剥落痕迹图8 5#DVE电机轴承滚子表面划伤痕迹 通过以上检查可以确认，轴承在运行过程中存在异常磨损情况。2.2 风机皮带张紧力过大原因分析2.2.1 DVE皮带张紧力的测量 风机皮带安装完成后，需对SPZ型号的皮带张紧力进行校核。根据电厂要求，SPZ皮带的张紧力测量方法是先使用角尺测量出两皮带轮中图3 1#DVE电机故障频率3210幅值/(mm/s)频率/Hz02006004008001 0002023年第3期 49 心距（t），计算出该型号皮带需要的下压量（），然后使用管形测力计（图9）在皮带轮中心距中点处下压，如图10所示。其中，下压量（）和校验器读数（G）应满足表1的要求。由于风机运行过程中皮带张紧力存在衰减，因此新皮带安装时，应按照标准范围的上限值进行调整。其中：G下压力 kN；F0皮带张紧力 kN；下压力G与皮带张紧力的夹角；F皮带初拉力增量，由皮带型号决定，SPZ皮带为20N。cos=(t2)2+2（2）其中：皮带下压量 mm；t皮带轮中心距 mm。根据皮带张紧力F0和电机皮带轮包角，计算出电机皮带轮处径向拉力Fr后，再根据电机轴承布置计算当量动载荷F。电机皮带轮与风机皮带轮连接示意，如图11所示。图9 管形测力计示意图表1 5台电机皮带张紧力使用标准功能位置张紧力/N下压量/mm1#DVE13-20112#DVE20-253#DVE13-204#DVE20-255#DVE20-252.2.2皮带张紧力对轴承寿命的影响分析 电机运行过程中，深沟球轴承主要承受径向载荷。若轴承径向载荷过大，将加速轴承磨损，大大缩短轴承使用寿命。轴承径向载荷主要由转子自重和皮带张紧力构成，其中转子自重远小于皮带张紧力，因此可忽略电机转子自重对轴承寿命的影响，仅分析皮带张紧力对轴承寿命的影响。（1）轴承当量动载荷计算 根据图10所示的皮带下压力测量方法，得到皮带下压力数据后，可以通过力学计算得到皮带的张紧力，计算过程如下：G=（F0+F）cos（1）电机皮带轮处径向拉力Fr为：Fr=2ZF0sin2（3）其中：F0皮带张紧力 kN；Z皮带组数，数量2；皮带轮包角，各电机皮带轮包角均约为180；将1#DVE5#DVE电机模型进行简化，简化后的模型及尺寸参数见图12和图13，除1#DVE电机外，其他电机布置基本一致。电机驱动端轴承当量动载荷FD和非驱动端轴承当量动载荷FND分别为：FD=Fr+FND（4）FNDR2=FrR1（5）其中：R1电机驱动端轴承到电机带轮的距离 mm；R2电机驱动端轴承到非驱动端轴承的距离 mm。（2）轴承寿命计算 根据滚动轴承额定动载荷和额定寿命标图11 电机皮带轮与风机皮带轮连接示意图图10 皮带张紧力测量示意图 50 2023年第3期准，轴承的额定寿命L10为：L10=(CP)p（6）其中：C基本额定动负荷 kN；P当量动载荷 kN；p寿命公式中的指数，球轴承取3。若轴承转速为固定值，轴承寿命通常用工作小时来表示，即：L10h=10660nL10（7）其中：n电机转速 r/min。将相关的数据代入式（1）式（7），可以计算出皮带张紧力、电机驱动端和非驱动端轴承当量动载荷（承受的各方面负荷）以及轴承基本额定寿命。根据某核电厂要求的皮带下压力范围，考虑皮带张紧力衰减（衰减到初始张紧力的60%），对1#DVE5#DVE电机轴承寿命进行计算，结果见表2。由表2可知，若按照某核电厂要求的下压力的上限调整皮带张紧力时，驱动端轴承的寿命最短的仅0.93年（90%可靠性）；若按照要求的下压力的下限调整皮带张紧力时，驱动端轴承寿命最短的仅1.9年（90%可靠性）。通过理论计算可以发现，皮带张紧力的大小对电机轴承寿命有明显影响。查询某核电厂DVE系统其他离心风机电机检修记录，发现其他5台电机运行过程中也出现过轴承故障，运行周期均为1年左右。调查其他核电厂DVE离心风机电机轴承型号也均为6205-2Z/C3或6204-2Z/C3，电机型号、轴承型号和皮带型号均与该核电厂相同，而其他核电厂DVE电机运行状况良好。通过进一步调查发现，该核电厂与其他核电厂DVE电机的最大区别在于皮带张紧力不同，进一步证明电机皮带张紧力偏大，对电机轴承运行寿命有较大的影响。某核电厂DVE系统电机使用SPZ皮带，其张紧力由皮带制造厂提供，经咨询厂家，张紧力标准主要针对皮带轮尺寸、皮带型号和皮带材质等参数制定，未特别考虑电机轴承承载能力。由轴承寿命计算及现场设备运行情况可知，某核电厂DVE离心风机电机所采用的皮带张紧力偏大，造成电机轴承载荷过大，从而导致轴承运行过程中故障率较高，缩短了轴承运行寿命。3 改进方案 针对上述分析，通过减小电机皮带张紧力的方法，可以有效提升电机轴承的使用寿命。通过分析研究，制定如下优化方案：（1）对每台电机对应的皮带轮型号，制定出各个型号的张紧力标准。（2）测量每台电机的皮带张紧力，确定调整张紧力的范围。（3）通过计算标准及张紧力的测量状况，确定需更换电机轴承的范围。图13 2#DVE5#DVE电机简化模型表2 不同皮带张紧力下轴承寿命计算结果位置某电厂张紧力上限驱动端寿命（年）非驱动端寿命（年）1#DVE3.111.92#DVE1.23.83#DVE1.95.94#DVE0.932.95#DVE1.23.8图12 1#DVE电机简化模型2023年第3期 51 4 结语 本文对某核电厂DVE电机轴承频发故障频率的原因进行了分析，并结合数据计算论证，确定了导致轴承故障频率的根本原因是皮带张紧力过大。降低皮带张紧力后，轴承未再出现故障频率，彻底消除了这一重大缺陷。参考文献1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 滚动轴承 额定动载荷和额定寿命：GB/T63912010S 北京：中国标准出版社，20102 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 滚动轴承高碳铬轴承钢零件热处理技术条件：GB/T348912017S 北京：中国标准出版社，20173 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 高碳铬轴承钢：GB/T182542016S 北京：中国标准出版社，20164 汤蕴璆 电机学M 北京：机械工业出版社，2015（收稿日期：2022-10-04）作者简介：周维府，男，1990年12月生，本科，电气工程及其自动化专业，助理工程师，现从事核电厂电机维护管理工作。摘 要：汽轮发电机运行时，需对机座内部关键部件进行温度监测，而测温元件引线连接至DCS系统需要进行引线间的连接，该连接的可靠性直接影响温度测量的准确性。为此，提出了带屏蔽层的三线制Pt100铂热电阻测温元件引线连接方法。型式试验结果表明，该连接方式是可靠的，可以保证测温元件温度监测的准确性。关键词：汽轮发电机测温引线 中图分类号：TM303 文献标志码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2023.03.013 Abstract:Temperatureofthekeycomponentsinsidetheframeneedstobemonitoredwhentheturbinegeneratorisrunning,whiletheconnectionbetweentheleadsofthetem-peraturemeasurementelementtotheDCSsystemneedstobemade,andthereliabilityofthisconnect