YBF系列隔爆型高压三相异步电动机稀油润滑滚动轴承结构研究

(中国船舶重工集团有限公司第七0三研究所，黑龙江哈尔滨 150078)

0 引言

YBF系列风机用隔爆型高压三相电动机主要用于对煤矿、矿山等场所矿用主通风机的驱动，矿用主通风机是煤矿、矿山井下重要的通风设备，关乎煤矿、矿山企业的财产安全及井下生产工作人员的生命安全，其重要性不言而喻。目前，市场上传统的YBF系列电机一直采用的是油脂润滑轴承结构，由于YBF 系列电机使用的工况环境较差且在运行时承受的载荷也较为复杂，所以油脂润滑的轴承结构时常出现故障，影响用户的使用和生产。而YBF稀油润滑轴承结构系列电机改变了传统的轴承结构定式，从机械结构的设计到润滑剂的选择都与传统滚动轴承结构完全不同，稀油润滑轴承结构具有承载能力大、运行可靠等优点，可整体提高电动机的可靠性，有效降低用户的维修、维护成本。

1 传统YBF系列电机脂润滑滚动轴承结构的失效分析

YBF系列风机用高压隔爆型三相异步电动机主要驱动的负载为煤矿上所用的主通风机，其工作条件非常恶劣，经常出现电动机轴承损坏的故障。工作中的轴承结构是个复杂的受力体，除了叶轮施加的径向重力载荷和轴向推力载荷外，运行中粉尘引起叶轮结构不平衡的离心力，叶轮进气不均匀引起的交变推力载荷，通风机旋转失速引起的不稳定工况和喘振都会使电动机支撑轴承造成过早的疲劳破坏。但是，究其根本原因电动机轴承支撑结构设计的合理性是造成轴承过早失效的根本原因。

静不定问题的出现，在结构设计中是非常不合理的甚是是一种严重设计缺陷。超静定设计的定位结构有时会产生巨大的支撑反力，造成轴承、齿轮、轴等零部件的破坏。

图1传统YBF系列电机脂润滑轴承结构示意图

图2静不定轴承支撑结构的简化力学模型

静不定轴承结构为什么会产生非常大的附加支反力？电动机的轴是刚性轴，理论情况下电动机在正常运行时不会出现振动。机座在焊接后，残余应力释放充分、彻底，机械加工也是理想状态，机座结构不会在电动机运行过程中由于参与应力的释放产生的机座变形，那么这种静不定结构不会产生附加的支撑反力，按静定结构计算的轴承支撑反力是正确的。但是，轴系的振动，机座的变形在实际中是不可避免的。转子振动，加工误差和机座变形后轴系的简化力学模型如图3、图4、图5所示。

图3静不定结构转子的振动变形模型

图4静不定结构支撑机壳变形引起的附加载荷

图5静不定结构转子机壳端盘变形引起的附加载荷

解除约束，以相应的支撑反力等效支撑后如图6、图7所示，其中，R1，R2—垂直方向的支撑反力；R3—水平方向的支反力；M1，M2—支座1和支座2处的反力偶矩；F1，F2—力偶矩在支座1和支座2处产生的等价力；a—力偶矩的等效力臂，M1=aF1，M2=aF2；d—径向轴承内圈的滚道直径。

由图6，图7可以看出，即使非常小的振动和变形，与电动机整体结构尺寸相比，由于力臂a非常小，F=M/a，也会产出非常大的力F1和F2(撬杠效果)。

图6滚柱径向轴承的静不定结构转子简化力学模型

图7球径向支撑静不定轴系的简化力学模型

2 改良后的YBF系列电机稀油润滑滚动轴承结构的优势特点

改良后的稀油润滑滚动轴承结构在理论上解决了静不定轴承支撑的问题，同时提高了轴承承载能力。图8给出了具有承受严酷载荷的新系列稀油润滑滚动轴承结构，其简化力学模型如图9所示。该轴承结构的关键点在于调心和双列轴承的采用，调心和轴向浮动设计，解除了传统设计的多余约束，使之成为静定结构。由于调心结构的存在，载荷可以在单边的两排轴承中自动调节平衡，单边的双排轴承之间设置了两个圆环，增加了双排柱轴承间的轴向距离，目的是避免轴承滚动体保持架干涉；同时使之具有一定的“力臂”值，当轴驱使轴承组摆动时，尽可能减小作用在每排轴承上的力(摆动力矩一定的条件下，力臂越大力就越小)。

图8改良后的YBF系列稀油润滑滚动轴承结构示意图

图9静定轴承支撑结构的简化力学模型

图8所示的重载调心结构支撑结构对于图3、图4、图5所示的振动和变形能够自适应调节，始终保持结构的静定性，不产生附加的支反力。

采用稀油润滑的方式，可极大的改善润滑条件。与传统的油脂润滑相比，稀油润滑可增强轴承的散热能力，通过循环油带走轴承运行时产生的热量，并且稀油润滑较油脂润滑充分，可有效减少由于润滑不充分造成的轴承过早失效。

3 结语

机械结构设计中应该避免出现静不定问题，静不定结构有时会产生极大的支反力，造成结构破坏和零件失效。

与常规转子支撑相比，对于工作环境恶劣的，载荷波动大的工作场合单边可以加装多排径向轴承。而传统支撑单边如果加装两排径向轴承就会造成严重的超定位问题，不但不能起到加强支撑的作用，很可能迅速造成轴承组的破坏。单排常规支撑通常会通过滚动碾压产生塑性变形使柱形滚动体变为鼓形而具备微量的调心能力，代价是滚动体或滚道的金属材料组织遭受局部破坏，减少了疲劳寿命。球形滚动体径向轴承也可以通过滚动碾压使滚道产生塑性变形，但轴承寿命降低，支撑精度下降。