軸流冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)頻繁燒毀的處理過程及原因分析

引言

某浮式儲(chǔ)油輪設(shè)計(jì)有兩套天然氣壓縮機(jī),機(jī)組上各配備兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)由一臺(tái)15kw交流電機(jī)通過皮帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng),為原動(dòng)機(jī)缸套水和壓縮后的天然氣提供強(qiáng)制冷卻。機(jī)組由廠家進(jìn)行調(diào)試后交付現(xiàn)場(chǎng)使用,在投入運(yùn)行4個(gè)月后,一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)燒毀,在之后一段時(shí)間,因?yàn)橄嗤?連續(xù)發(fā)生了數(shù)起風(fēng)機(jī)電機(jī)燒毀事故。

1處理過程

1.1故障現(xiàn)象

風(fēng)機(jī)電機(jī)故障后,現(xiàn)場(chǎng)工作人員首先對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行電氣檢查,發(fā)現(xiàn)電機(jī)主回路MCCB動(dòng)作跳閘,接觸器狀態(tài)良好,熱繼電器未動(dòng)作,電機(jī)對(duì)地絕緣值為零,有一相繞組開路,判斷電機(jī)已經(jīng)燒毀。隨后對(duì)電機(jī)進(jìn)行拆解,發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承保持架和個(gè)別滾珠受損、滾道損傷,軸承組件表面大多為黑褐色,呈現(xiàn)明顯的高溫氧化特征,各接觸面已無潤(rùn)滑油脂覆蓋,氧化程度和損傷程度均由內(nèi)到外逐漸變輕:繞組及隙縫處散落黑色金屬粉末:三相繞組全部變色,局部繞組燒毀:絕緣和綁扎帶等變黃、變脆,并伴有開裂現(xiàn)象。

1.2軸承過熱

對(duì)未損壞、新采購(gòu)和維修后的電機(jī)進(jìn)行全面檢查,電機(jī)運(yùn)行電流平均值為25A,電機(jī)運(yùn)行電流雖和相匹配的風(fēng)機(jī)有直接關(guān)系,但都未超過電機(jī)額定電流29.1A,風(fēng)機(jī)電機(jī)對(duì)中和風(fēng)機(jī)電機(jī)連接皮帶等未發(fā)現(xiàn)異常,電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度為97℃,初步判斷電機(jī)軸承長(zhǎng)時(shí)間過熱運(yùn)行,導(dǎo)致軸承抱死,最終電機(jī)燒毀。

所謂軸承過熱,是指電機(jī)在運(yùn)行中,滾動(dòng)軸承溫度超過95℃,滑動(dòng)軸承溫度超過85℃。軸承過熱的常見原因分析如下:

(1)軸承質(zhì)量較差,制作精度不達(dá)標(biāo),在設(shè)備運(yùn)行前的運(yùn)輸及搬運(yùn)過程中道路顛簸,軸承轉(zhuǎn)子上下跳動(dòng):或設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間未使用,轉(zhuǎn)子受重力作用,在軸承內(nèi)外環(huán)滾道中的軸向中間形成壓痕,這種損傷在電機(jī)運(yùn)行時(shí),可聽到軸承中發(fā)出有節(jié)奏的"剛剛"聲。

(2)軸承與轉(zhuǎn)子或軸承室的同軸度不符合要求,導(dǎo)致軸承受力增加。

(3)軸承與轉(zhuǎn)子或軸承室配合過緊,使軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)擠壓變形,軸向游隙變小,不能形成良好的油膜,導(dǎo)致軸承滾動(dòng)困難,產(chǎn)生較多的熱量。

(4)軸承與轉(zhuǎn)子或軸承室配合過松,使軸承內(nèi)環(huán)在轉(zhuǎn)子上、外環(huán)在軸承室內(nèi)快速滑動(dòng),摩擦產(chǎn)生大量的熱,造成軸承溫度急劇上升,嚴(yán)重時(shí)會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)將軸承損壞:隨著軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)子、外環(huán)與軸承室曠量的不斷增加,將產(chǎn)生定、轉(zhuǎn)子摩擦,繞組過電流等故障,造成電機(jī)燒毀的重大事故。

(5)環(huán)境中的粉塵通過軸承蓋與轉(zhuǎn)軸的間隙進(jìn)入軸承中,大幅度降低油脂的潤(rùn)滑功能,增加摩擦阻力,產(chǎn)生較多的熱量。

(6)軸電流過大對(duì)軸承滑道和滾動(dòng)體造成損傷,從而產(chǎn)生滾動(dòng)不暢、摩擦力增大等問題,導(dǎo)致溫度上升。

(7)軸承油脂過多、過少或變質(zhì):軸承室結(jié)構(gòu)存在問題,注脂孔位置設(shè)計(jì)缺陷:加注油脂時(shí),換用不同品牌的油脂,油脂混用等都會(huì)造成軸承溫度升高。

經(jīng)過一段時(shí)間排查,共更換軸承四對(duì),其中一對(duì)軸承由原型號(hào)6309ZZC3更換為6309ZZC4,增加了軸承游隙:一對(duì)更換了軸承廠家。電機(jī)燒毀后轉(zhuǎn)子軸頸、軸承室檢查結(jié)果良好:損壞后返修的電機(jī),各種功能測(cè)試正常。軸電流問題大多發(fā)生于變頻電源供電的電機(jī),特別是大中型容量的電機(jī),而此次風(fēng)機(jī)電機(jī)為15kw,屬于小型電機(jī),且由工頻電源直接供電,電機(jī)發(fā)生軸電流問題的可能性極小。

除電機(jī)軸電流未進(jìn)行驗(yàn)證外,對(duì)可能造成電機(jī)軸承過熱的問題都進(jìn)行了嚴(yán)密排查,仍確認(rèn)不了造成軸承過熱的原因。

1.3電機(jī)高溫

電機(jī)高溫的原因有兩個(gè)方面:一是散熱系統(tǒng)沒有起到應(yīng)有的作用,二是發(fā)熱部分產(chǎn)生的熱量太多。

1.3.1電機(jī)散熱不良

(1)環(huán)境溫度高。據(jù)統(tǒng)計(jì),環(huán)境溫度每增高1℃,電機(jī)溫度將增高0.5℃。

(2)海拔超過規(guī)定的數(shù)值。統(tǒng)計(jì)表明,環(huán)境海拔每增高100m,電機(jī)溫度將在正常數(shù)值的基礎(chǔ)上增高1%左右。

(3)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障,機(jī)殼表面出現(xiàn)油污、積灰,制造缺陷或設(shè)計(jì)存在問題等,都有可能造成電機(jī)高溫。

風(fēng)機(jī)電機(jī)安裝在浮式儲(chǔ)油輪上,海拔不超過50m,環(huán)境溫度不超過40℃,電機(jī)表面干凈無油污,電機(jī)位于軸流風(fēng)機(jī)的上風(fēng)口,在使用自身冷卻風(fēng)扇散熱的同時(shí),還通過軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻,電機(jī)散熱不良問題可被排除。1.3.2產(chǎn)生熱量過多

(1)電氣方面:主要包括電源電壓過高、電壓過低、三相電流不平衡和電流超過額定值。

(2)機(jī)械方面:主要包括附加在電機(jī)輸出軸上的所有負(fù)載超過額定值。

浮式儲(chǔ)油輪由配套發(fā)電機(jī)組供電,電壓穩(wěn)定在400V,電機(jī)三相電流平衡且未超出額定值,軸流風(fēng)機(jī)廠家:MooRE,屬于5433系列,經(jīng)與廠家確認(rèn),該系列軸流風(fēng)機(jī)可以與15kw電機(jī)進(jìn)行匹配,設(shè)計(jì)完全符合使用要求。

電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)正常,在強(qiáng)制冷卻情況下,電機(jī)殼體溫度最高為95℃,電機(jī)高溫原因還需要繼續(xù)排查。

1.4電機(jī)轉(zhuǎn)速

測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的儀表,按照在測(cè)量時(shí)是否與電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分進(jìn)行接觸,可分為接觸式和非接觸式兩種類型;按照轉(zhuǎn)速顯示方式,可分為指針式和數(shù)字式兩種;另外還可以分為機(jī)械離心式和電子反光式。為保證測(cè)量安全和準(zhǔn)確性,測(cè)量時(shí)選擇便攜、非接觸式、電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示激光測(cè)速儀;為進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確性,在電機(jī)的軸承端纏繞黑色膠帶,在膠帶上粘貼12mm左右的發(fā)射條,測(cè)量電機(jī)帶載轉(zhuǎn)速為1247r/min,低于額定轉(zhuǎn)速1460r/min。

正常情況下,電機(jī)應(yīng)維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,造成電機(jī)轉(zhuǎn)速偏低的原因主要有:負(fù)載過重、電機(jī)故障、電源存在問題、啟動(dòng)方式選擇或接線存在問題。結(jié)合前面的排查過程,后面需要對(duì)電機(jī)連接方式進(jìn)行重點(diǎn)排查。

1.5連接方式

如圖1所示,三相電機(jī)的接線一般情況下分為3種一星形、延邊三角形和三角形。星形接線法把三相繞組的末端接在一起成為一個(gè)公共點(diǎn),三相繞組的初始端接三相電源,適用于功率較小的三相電機(jī);延邊三角形接線法是將電機(jī)定子繞組的一部分接成三角形,另一部分由三角形的頂點(diǎn)延伸接至電源,延邊三角形比普通電機(jī)的繞組多3個(gè)抽頭,至少需要9個(gè)電機(jī)抽頭,電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,須專門生產(chǎn),從而限制了本方法的實(shí)際應(yīng)用;三角形接線法是將三相繞組依次首尾相連,并將每個(gè)相連的點(diǎn)引出,作為三相電的三個(gè)相線,接線形狀似三角形,一般在功率較大的三相電機(jī)上使用,其在生活生產(chǎn)中使用最為廣泛。

參考電機(jī)接線盒內(nèi)部的電機(jī)繞組,經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),該15kw交流電機(jī)每一相有兩個(gè)繞組,每一個(gè)繞組有兩個(gè)抽頭,三相繞組一共有12個(gè)抽頭,三相繞組一端有一個(gè)公共點(diǎn),另一端分別接三相電源,確認(rèn)為星形連接方式。計(jì)劃把電機(jī)三相繞組由星形連接修改為三角形連接后,再進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)量、功能試驗(yàn)。

2問題解決

根據(jù)接線盒內(nèi)標(biāo)識(shí)修改電機(jī)繞組為三角形連接方式后,啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī),電機(jī)運(yùn)行電流23A,轉(zhuǎn)速1465r/min,穩(wěn)定運(yùn)行4h,電機(jī)表面溫度27C,驅(qū)動(dòng)端軸承室溫度31C,環(huán)境溫度7C。

風(fēng)機(jī)電機(jī)接線修改為三角形連接方式后,轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速,運(yùn)行電流低于額定電流,電機(jī)殼體溫度最高為31C。風(fēng)機(jī)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月后,各項(xiàng)參數(shù)仍然正常,未發(fā)生燒毀事故,電機(jī)頻繁燒毀問題成功解決。

3原因分析

3.1接線錯(cuò)誤

風(fēng)機(jī)電機(jī)三相繞組一共有12個(gè)抽頭,可以接成星形,也可以接成延邊三角形或三角形,存在多種連接方式可選:接線圖沒有標(biāo)注每種接線方式對(duì)應(yīng)的電源電壓,不方便對(duì)接線方式進(jìn)行修改:接線盒內(nèi)沒有接線端子,抽頭線號(hào)全部包裹在絕緣膠帶內(nèi),接線方式不容易直接判斷:國(guó)外調(diào)試期間,使用660V電源[4],接線方式為星形連接,改為380V供電后,未對(duì)接線方式進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.2特性曲線

三相異步電機(jī)的工作特性是指在電源電壓和頻率為額定值的條件下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電流、功率因數(shù)和效率與輸出功率的函數(shù)關(guān)系,如圖2所示。

(1)轉(zhuǎn)速特性n=f(P2):三相異步電機(jī)空載時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近于同步轉(zhuǎn)速n1。隨著負(fù)載的增加,轉(zhuǎn)速n降低,轉(zhuǎn)差率s增大,轉(zhuǎn)子電流增加,以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩P2。

(2)電磁轉(zhuǎn)矩Tem=f(P2):

轉(zhuǎn)矩平衡方程:

因?yàn)榭蛰d轉(zhuǎn)矩T0近似不變,且電機(jī)轉(zhuǎn)速變化也很小,所以電磁轉(zhuǎn)矩Tem隨P2的變化近似為一條直線。

(3)電流特性I1=f(P2):

磁動(dòng)式平衡方程:

空載時(shí),轉(zhuǎn)子電流I●2≈0,定子電流幾乎全部是勵(lì)磁電流I●m。隨著負(fù)載的增加,轉(zhuǎn)子電流增加,定子電流也隨之增加。

(4)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū):三相異步電機(jī)的機(jī)械特性曲線可以分為直線段和近似雙曲線段,如圖3所示,電機(jī)拖動(dòng)恒功率或恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),只能工作在直線段(穩(wěn)定區(qū)),如a、b兩點(diǎn),但是對(duì)于風(fēng)機(jī)類負(fù)載,電機(jī)還可以工作在近似雙曲線段。

綜合電機(jī)的工作特性和3種類型負(fù)載的穩(wěn)定工作點(diǎn)進(jìn)行分析,風(fēng)機(jī)電機(jī)繞組接線錯(cuò)誤,導(dǎo)致電機(jī)在欠壓狀態(tài)下工作,轉(zhuǎn)矩按電壓二次方減小,在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下,電機(jī)轉(zhuǎn)速n急劇下降,轉(zhuǎn)差率s增大,轉(zhuǎn)子電流增加,定子電流也隨之增加,電磁轉(zhuǎn)矩Tem也開始增加,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速n降低。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩等于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí),無論是在電機(jī)機(jī)械特性曲線的直線段還是近似雙曲線段,風(fēng)機(jī)都可以穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3運(yùn)行電流

某消防設(shè)備工作站,對(duì)消防用風(fēng)機(jī)、電機(jī)做了翔實(shí)的功能測(cè)試,繪制出異步電機(jī)的特性圖,反映了電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流隨轉(zhuǎn)速的變化,如圖4所示。電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2.2倍左右,轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的80%左右,電流為額定電流的2.8倍左右,功率(與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的積成正比)為額定功率的1.7倍左右。對(duì)比本文所述軸流風(fēng)機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)速1247r/min,約為額定轉(zhuǎn)速的85.0%。

圖7異步電機(jī)特性圖

電機(jī)繞組星形連接,實(shí)際運(yùn)行電流25A,約為星形連接額定電流的1.5倍,風(fēng)機(jī)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過流運(yùn)行,造成電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子過熱,電機(jī)的熱量傳到軸承中,使軸承中的潤(rùn)滑脂溫度達(dá)到其滴點(diǎn)而變成液態(tài)流失,軸承失去潤(rùn)滑而產(chǎn)生較高的熱量,導(dǎo)致電機(jī)軸承損壞、電機(jī)燒毀。

7結(jié)語(yǔ)

電機(jī)運(yùn)行電流小于額定電流,電機(jī)軸承損壞導(dǎo)致電機(jī)燒毀這一表面現(xiàn)象,使工作人員在處理電機(jī)頻繁燒毀故障時(shí)走進(jìn)了誤區(qū),這是問題沒有及時(shí)得到解決的重要原因。本文通過對(duì)電機(jī)軸承、定子、帶載情況、接線方式等多方面的排查,對(duì)故障進(jìn)行了多方面分析,最后確定故障原因,希望能為同類電機(jī)燒毀、軸承故障的快速處理提供一些借鑒。