李波，許德忠，趙亮，范瑞波

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1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象

三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用3套軸承定位、支承。驅(qū)動(dòng)端布置1套深溝球軸承6222/C3，起軸向定位作用，1套圓柱滾子軸承NU222/C3，承擔(dān)徑向力；非驅(qū)動(dòng)端布置1套圓柱滾子軸承NU218/C3，承擔(dān)徑向力；軸承設(shè)有不停機(jī)注排油裝置，油脂采用SKF LGWA2。軸承內(nèi)外端蓋、甩油盤及軸承套材料為鑄鋼，軸承理論計(jì)算壽命大于105h。電動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Data ofmotor

圖1 閉式冷卻水泵電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of SRImotor

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行期間，驅(qū)動(dòng)端軸承噪聲偏大并伴有異響，具體表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)空載時(shí)驅(qū)動(dòng)端軸承發(fā)出間斷性、類似哨子的聲響，加油時(shí)暫時(shí)停止，隔一段時(shí)間又出現(xiàn)，異響無(wú)規(guī)律性。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軸承進(jìn)行拆解檢查，發(fā)現(xiàn)圓柱滾子軸承的滾子工作表面、內(nèi)圈滾道面存在一定程度磨損，油脂發(fā)黑變色（圖2）。

圖2 軸承滾子及內(nèi)圈滾道工作面磨損、油脂變色情況Fig.2 Wear of working surfaces of rollers and inner rings，grease discoloration

2 故障分析

為分析上述軸承異響問(wèn)題，建立了軸承噪聲原因分析故障樹(shù)，如圖3所示。經(jīng)核查軸承質(zhì)量文件及油脂添加記錄，將X2及X4這2個(gè)因素排除。對(duì)于剩余的6個(gè)可能因素進(jìn)行分析。

圖3 軸承噪聲原因分析故障樹(shù)Fig.3 RCA tree of bearing abnormal noise

2.1 軸承游隙及配合公差選擇（X3）

軸承的工作游隙受多個(gè)因素影響，各游隙之間的關(guān)系如圖4所示［1］，圖中：A為軸承的理論游隙；B為軸承外圈與外殼配合產(chǎn)生的游隙減少量；C為軸承的安裝游隙；D為軸承內(nèi)圈與軸配合產(chǎn)生的游隙減少量；E為溫差膨脹產(chǎn)生的軸承游隙減少量；F為軸承的工作游隙；G為工作載荷引起的軸承游隙增加量；H為軸承的有效游隙（理論游隙減去有效過(guò)盈量引起的軸承游隙變化量，再減去由于軸承溫升等因素引起的軸承游隙變化量）。

圖4 軸承游隙關(guān)系圖Fig.4 Relation diagram of bearing clearance

軸承工作游隙過(guò)大，會(huì)使軸承振動(dòng)和噪聲增大；游隙過(guò)小，容易引發(fā)軸承過(guò)熱甚至抱軸等問(wèn)題。因此，軸承工作過(guò)程中存在一個(gè)最佳工作游隙，使得軸承既能滿足正常運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，又不會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。文獻(xiàn)［1］采用6σ準(zhǔn)則建立了計(jì)算軸承工作游隙的理論計(jì)算模型，為軸承最佳預(yù)緊力的確定提供了思路；文獻(xiàn)［2］分析了有效過(guò)盈量、溫度、離心力等因素對(duì)軸承工作游隙的影響，并通過(guò)編程計(jì)算，倒推出軸承初始理論游隙；文獻(xiàn)［3］對(duì)65臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)將軸承端蓋內(nèi)孔尺寸由φ200+0.020mm擴(kuò)大為φ200+0.040+0.015mm，解決了軸承過(guò)熱和運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲過(guò)大的問(wèn)題。

以驅(qū)動(dòng)端軸承為例，電動(dòng)機(jī)采用球軸承、滾子軸承聯(lián)合的雙軸承結(jié)構(gòu)，軸承均為大游隙（C3組）。經(jīng)查SKF軸承手冊(cè)，NU222圓柱滾子軸承的普通組（CN）徑向游隙為0.050～0.090 mm，C3組徑向游隙為0.085～0.125 mm；6222深溝球軸承的普通組（CN）徑向游隙為0.015～0.041 mm，C3組徑向游隙為0.036～0.066 mm。采用文獻(xiàn)［2］中的計(jì)算方法，對(duì)該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端的軸承游隙（X3）進(jìn)行了校核分析。

1）計(jì)算有效過(guò)盈量對(duì)軸承游隙di的影響，對(duì)轉(zhuǎn)速引起的內(nèi)徑及軸頸配合直徑的增量及軸承溫度引起的內(nèi)圈配合過(guò)盈量Ii（軸承溫度T從30～60℃取值）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，有效過(guò)盈量對(duì)圓柱滾子軸承的游隙影響較大，計(jì)算的軸承游隙為0.155 mm；有效過(guò)盈量對(duì)深溝球軸承的游隙影響較小，計(jì)算的軸承游隙為0.077 mm。

圖5 有效過(guò)盈量對(duì)軸承游隙的影響Fig.5 Influence of effective interference on bearing clearance

2）計(jì)算軸承溫升ΔT對(duì)軸承游隙di的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，隨著軸承溫升的增加，軸承游隙減小量增大，當(dāng)深溝球軸承溫升為60℃時(shí)，軸承游隙減小量約是軸承溫升為30℃時(shí)軸承游隙減小量的2倍，變化比較明顯。

圖6 軸承溫升對(duì)軸承游隙的影響Fig.6 Influence of bearing temperature rising on bearing clearance

3）計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n對(duì)軸承工作游隙的影響，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，電動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，軸承游隙的變化幅值在0.14～0.15μm之間，因此轉(zhuǎn)速對(duì)游隙影響較小。

圖7 不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸承游隙的影響Fig.7 Influence of speed on bearing clearance

在上述校核計(jì)算的基礎(chǔ)上，將軸承的理論計(jì)算游隙與目前使用的NU222/C3及6222/C3軸承的游隙進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，深溝球軸承的理論計(jì)算游隙正好在所使用的范圍內(nèi)，但圓柱滾子軸承的理論計(jì)算游隙明顯小于所采用的軸承游隙。圓柱滾子軸承游隙選擇偏大（X3），會(huì)使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲增大。

圖8 軸承游隙理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值對(duì)比圖Fig.8 Comparison of bearing clearances calculated and being used

2.2 軸承結(jié)構(gòu)對(duì)比（X6/X7/X8）

常見(jiàn)的異步電動(dòng)機(jī)有雙球軸承結(jié)構(gòu)、三軸承結(jié)構(gòu)、球柱聯(lián)合的雙軸承結(jié)構(gòu)等［4］，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承結(jié)構(gòu)如圖9所示。文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)比不同廠家軸承安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，分析了不同因素對(duì)軸承運(yùn)行的影響。

圖9 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承結(jié)構(gòu)（X7）Fig.9 Structure of drive end bearing ofmotor（X7）

由圖9可知，軸承的擋油結(jié)構(gòu)是設(shè)置在電動(dòng)機(jī)軸上的甩油盤（X8），在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，甩油盤隨軸旋轉(zhuǎn)，軸承內(nèi)部排出的舊油脂一旦運(yùn)動(dòng)到甩油盤上，會(huì)被甩油盤的離心力甩出，進(jìn)入積油盒中。

有分析認(rèn)為，只有甩油盤的設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致軸承內(nèi)部的油脂快速流失，從而引起軸承噪聲過(guò)大及過(guò)熱等問(wèn)題。為此，對(duì)同類型其他電機(jī)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)同類型其他電動(dòng)機(jī)已運(yùn)轉(zhuǎn)2×104h以上，運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，未出現(xiàn)軸承異響及過(guò)熱等問(wèn)題。

鑒于此，對(duì)該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，改造后結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 改造后的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of drive end bearing ofmotor after transformation

將甩油盤結(jié)構(gòu)改為擋油盤和甩油盤相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，理論上該軸承室結(jié)構(gòu)的存油能力將優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，保持其他因素及參數(shù)不變進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明軸承異響并未消除（排除X7/X8）。但軸承室儲(chǔ)油空間增大后，可以往軸承室注入更多的油脂，并因此可防止外部異物進(jìn)入軸承內(nèi)腔（X6）。

2.3 油脂的影響（X1/X4/X5）

文獻(xiàn)［6-9］研究了油脂基礎(chǔ)油種類、基礎(chǔ)油黏度、氧化劣化等因素對(duì)軸承噪聲、振動(dòng)的影響，結(jié)果表明：同等條件下天然礦物油的降噪性能最優(yōu)；提高油脂基礎(chǔ)油的黏度可以提高油脂的低噪聲壽命和抗微動(dòng)磨損能力；油脂氧化劣化后生成的含羰基物質(zhì)是導(dǎo)致軸承噪聲增大的主要原因；軸承噪聲對(duì)油脂內(nèi)部異物有較強(qiáng)的敏感性，需特別關(guān)注。

電動(dòng)機(jī)采用的油脂是以礦物油為基礎(chǔ)油的復(fù)合鋰基油脂，在軸承中應(yīng)用較廣，從未有軸承異響方面的質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于電動(dòng)機(jī)異響問(wèn)題，油脂可疑因素包括油脂錯(cuò)用或混用、油脂變質(zhì)及油脂中混入雜質(zhì)等，但經(jīng)對(duì)軸承內(nèi)油脂的觀察，排除了油脂的錯(cuò)用或混用以及油脂變質(zhì)的可能（排除X4/X5）。

對(duì)軸承做進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，NU222/C3軸承內(nèi)圈滾道面既存在沿套圈回轉(zhuǎn)方向的劃痕，又存在不規(guī)則的壓痕（圖11）；滾子表面有沿圓周方向更加明顯的劃痕（圖12）。

圖11 內(nèi)圈滾道面劃傷及壓痕Fig.11 Scratch and indentation of Inner ring working surface

圖12 滾子表面劃痕Fig.12 Scratch of roller working surface

綜合推斷，軸承內(nèi)腔混入了硬態(tài)顆粒狀雜質(zhì)（X1），劃痕和壓痕的寬度反映了雜質(zhì)在某一維度的尺寸。軸承套圈和滾子產(chǎn)生劃痕后，將不可避免地引起軸承振動(dòng)噪聲升高、甚至產(chǎn)生異響。

通過(guò)以上分析，確認(rèn)導(dǎo)致該軸承異響的主要原因有：1）圓柱滾子軸承工作游隙偏大（X3）；2）電動(dòng)機(jī)軸承室的儲(chǔ)油空間太小，沒(méi)有利用油脂的密封功能，外部異物容易侵入軸承內(nèi)腔（X6）；3）電機(jī)軸承內(nèi)部混入硬態(tài)雜質(zhì)（X1）。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)該電動(dòng)機(jī)異響問(wèn)題的原因分析，制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

1）將驅(qū)動(dòng)端的圓柱滾子軸承游隙由C3組改為CN組；

2）對(duì)整個(gè)油腔的體積進(jìn)行核算后，將油脂加注量由原來(lái)的1.65×105mm3增大至5.3×105mm3，將整個(gè)軸承室內(nèi)部充滿油脂，使油脂在履行潤(rùn)滑功能的同時(shí)起到一定的防塵功能。但隨著油脂加注量的增加，可能導(dǎo)致軸承溫升過(guò)快，需加強(qiáng)對(duì)軸承溫度的監(jiān)測(cè)；

3）對(duì)軸承室進(jìn)行清潔，確保內(nèi)部無(wú)異物，重新加注新油脂。

采取上述措施后，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲明顯降低且不再發(fā)生無(wú)規(guī)律的異響，軸承溫度未超出報(bào)警值，證明對(duì)異響的原因分析正確，改進(jìn)措施有效。