高 峰,秦立宇

(寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201900)

交流同步電動機在功率因數(shù)、過載能力、轉(zhuǎn)速及容量選用方面優(yōu)勢明顯。因此,在大容量、高轉(zhuǎn)矩等軋機、空壓機等設(shè)備驅(qū)動中大多選用同步電動機。由于制造工藝相對簡單,除兩極電動機采用隱極結(jié)構(gòu)外,其他轉(zhuǎn)速同步電動機大多采用凸極結(jié)構(gòu)型式。凸極同步電動機轉(zhuǎn)子磁極采用裝配式結(jié)構(gòu),隨著運行時間的增加,尤其變載、調(diào)速工況的大型凸極同步電動機大多出現(xiàn)了諸如極間撐塊及鴿尾鍵松動、阻尼條斷裂、勵磁引線燒損等各類故障。某冷軋廠酸連軋五機架軋機同步電動機發(fā)生了一起極靴板螺栓斷裂、電動機定子繞組燒損的嚴重事故。

1 電動機故障情況

酸連軋五機架軋機大電動機采用變頻調(diào)速凸極式同步電動機,電動機參數(shù)為6 500 kW,3 300 V,4P,電動機轉(zhuǎn)速范圍為395～1 200 r/min。運行中電動機發(fā)生定子繞組接地故障。最終電動機抽芯檢查,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子極靴板固定螺栓4只斷裂,極靴板變形與定子線圈相擦,造成線圈短路擊穿燒損,故障情況見圖1。

圖1 電動機故障情況

2 故障原因分析

同步電動機定子結(jié)構(gòu)與鼠籠異步電動機完全相同,但其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且電動機故障主要是發(fā)生在轉(zhuǎn)子上。同步電動機從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上分凸極式與隱極式兩種結(jié)構(gòu)。隱極式電動機轉(zhuǎn)子繞組三維繞制,嵌入轉(zhuǎn)子鐵心槽中。制造工藝復(fù)雜,但結(jié)構(gòu)牢固,一般主要用在2極高速電動機上。在國內(nèi)、外主要電動機制造廠商中,西門子公司隱極同步電動機制造經(jīng)驗豐富,除了2極電動機外,4極至20極甚至更高極數(shù)的變載、調(diào)速沖擊負載工況的同步電動機仍采用隱極結(jié)構(gòu)。凸極式同步電動機轉(zhuǎn)子磁極模塊化設(shè)計,制造、裝配、維修方便。目前,除西門子公司外,其他國內(nèi)、外大多數(shù)電動機制造商在4極及以上同步電動機制造中均采用凸極式結(jié)構(gòu)。

故障電動機采用的就是凸極結(jié)構(gòu)型式,根據(jù)電動機損壞情況可以明顯看出:電動機轉(zhuǎn)子極靴板固定螺栓斷裂,導(dǎo)致極靴板固定約束喪失。在離心力作用下,極靴板外張變形,與定子線圈相擦,從而造成定子線圈短路放炮。對于螺栓斷裂的原因進行了深入分析。

2.1 凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

凸極同步電動機轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、磁軛、磁極鐵心及線圈組成。此外,絕大部分同步電動機轉(zhuǎn)子還設(shè)有阻尼或啟動繞組。因電動機制造成本及工藝控制,以及電動機容量的增大及轉(zhuǎn)子半徑提高,目前凸極同步電動機轉(zhuǎn)子主要有三種結(jié)構(gòu)方式:

(1) 對于多極低速、大轉(zhuǎn)矩的同步電動機(Pn/Nn≥120)[1],由于轉(zhuǎn)子尺寸大,轉(zhuǎn)軸采用“傳動端軸+中間段空心筒體+非傳動端軸”三段式聯(lián)接結(jié)構(gòu)。為增加轉(zhuǎn)子磁軛半徑,中間段中空軸采用厚鋼板卷制成的大直徑的圓筒或鑄鋼圓筒磁軛結(jié)構(gòu),兩端“T”型軸與中間圓筒磁軛采用埋弧焊接或超級螺栓把合聯(lián)接一體。高強螺栓從圓筒內(nèi)部將帶芯棒的疊片磁極吊緊固定在圓筒磁軛上,見圖2。該類結(jié)構(gòu)常用在中、厚板軋機或熱軋粗軋主傳動電動機上。

圖2 圓筒磁軛結(jié)構(gòu)

(2) 對于4極以上、轉(zhuǎn)子直徑相對小一些的同步電動機,轉(zhuǎn)子一般采用鍛鋼實心軸結(jié)構(gòu),磁軛與轉(zhuǎn)軸整體鍛造成型。對轉(zhuǎn)子直徑相對大一些的同步電動機,為降低成本,采用擴徑磁軛與轉(zhuǎn)軸熱套聯(lián)接結(jié)構(gòu)。磁軛上銑鴿尾槽,疊片磁極通過鴿尾打成對斜鍵固定,斜鍵相互間搭焊牢并與磁軛搭焊牢,見圖3。該類結(jié)構(gòu)通常用在熱軋精軋軋主傳動電動機上。

圖3 鴿尾磁軛結(jié)構(gòu)

(3)對于4極同步電動機,由于單極回轉(zhuǎn)半徑大、質(zhì)量重、鐵心長等特點,除了做成隱極式轉(zhuǎn)子外,凸極式轉(zhuǎn)子疊片磁極結(jié)構(gòu)無法滿足機械強度要求,一般必須采用實心磁極結(jié)構(gòu)[2]。即磁極鐵心、磁軛及轉(zhuǎn)軸為一體,用高強度螺栓通過極靴板將勵磁線圈固定在實心極身上,見圖4。該類結(jié)構(gòu)通常用在轉(zhuǎn)速較高的冷軋酸軋機組主傳動電動機或恒速風(fēng)機、壓縮機驅(qū)動電動機上。

圖4 實心磁極結(jié)構(gòu)

凸極同步電動機轉(zhuǎn)子上述裝配式結(jié)構(gòu),設(shè)計考慮不周、工藝缺陷及惡劣工況都會造成部件強度及穩(wěn)定性出現(xiàn)問題,尤其各部件間的聯(lián)接及固定發(fā)生故障頻率最高。

故障電動機采用的是上述第三種結(jié)構(gòu)型式——實心磁極結(jié)構(gòu),極靴板實現(xiàn)磁極的固定。

2.2 極靴螺栓受力分析

為查找、驗證轉(zhuǎn)子磁極極靴固定螺栓斷裂失效根本原因,根據(jù)電動機轉(zhuǎn)子具體結(jié)構(gòu),對故障電動機轉(zhuǎn)子及螺栓進行受力分析。電動機轉(zhuǎn)子剖面圖如圖5。電動機磁極鐵心與磁軛為一體式鍛造加工,轉(zhuǎn)子勵磁線圈整體套在磁軛上,由20只M48螺栓經(jīng)極靴板把合在磁軛上,徑向固定勵磁線圈。為避免極靴與磁極鐵心產(chǎn)生縫隙,螺栓應(yīng)該預(yù)緊。磁極線圈間采用元寶形磁極撐塊圓周方向?qū)⒏鳂O勵磁線圈彼此撐緊。

圖5 電動機轉(zhuǎn)子剖分圖

電動機運行時,螺栓承受預(yù)緊力及磁極線圈與極靴的離心力。電動機速度為400～1 200 r/min。為計算磁極螺栓受力,當(dāng)電動機1 200 r/min最高轉(zhuǎn)速時,核算電動機旋轉(zhuǎn)磁極部件的離心力。轉(zhuǎn)子極靴、勵磁線圈實際尺寸、質(zhì)量、磁極各部件離心力見表1。

表1 轉(zhuǎn)子部件離心力

假設(shè)磁極螺栓僅承受拉伸應(yīng)力而不承受剪切負荷,上述離心力平均在每個把合螺栓上產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ1(S為螺栓中徑截面):

σ1=(Fp+Fc)/20S=(3 354.4+2 319.5)/

(20×3.14×22.372)=180.5 N/mm2

(1)

磁極螺栓還有預(yù)緊力。這臺電動機M48螺栓電動機廠家的預(yù)緊力矩M=3 657 N·m。由螺栓擰緊力矩計算公式M=K·F′·d,可計算出作用在螺栓上預(yù)緊力的值(擰緊力矩系數(shù)K=0.12,極靴孔為精加工表面):

(2)

每個把合螺栓上預(yù)緊力產(chǎn)生的拉應(yīng)力:

σ2=F′/S=634 896/(3.14×22.372)=

404.1 N/mm2

(3)

因此,實際運行中每個螺栓所受的平均合計拉應(yīng)力σ值為:

σ=σ1+σ2=180.5+404.1=584.6 N/mm2。

(4)

查詢該螺栓制造技術(shù)要求為:抗拉強度Rm≥650 MPa,屈服強度Rp0.2≥580 MPa,延伸率δs>14%。從上述計算可以看出,電動機在極限最高轉(zhuǎn)速工況下,極靴螺栓所受拉應(yīng)力已經(jīng)達到螺栓材料的屈服強度。

2.3 螺栓試驗分析

為驗證螺栓本身是否存在制造質(zhì)量缺陷。對螺栓化學(xué)成分、斷口形貌、拉伸試驗等分別進行綜合檢驗測試,并通過有限元計算螺栓等效應(yīng)力分布云圖進行螺栓斷裂失效原因查找。

2.3.1 化學(xué)成分

對螺栓進行化學(xué)成分檢驗,結(jié)果如表2。

表2 螺栓化學(xué)成分

根據(jù)檢測結(jié)果判斷螺栓材質(zhì)為35CrMo,與設(shè)計一致,且各材料成分沒有異常。

2.3.2 斷口形貌

從螺栓斷口宏觀形貌看,斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,裂紋由螺桿與螺頭交接部位的R角外表面向內(nèi)擴展,并延伸至螺栓頭部的十字槽內(nèi)。微觀形貌看螺栓金相組織為回火索氏體+鐵素體,螺栓組織的熱處理狀態(tài)為淬火+回火的調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)。檢驗結(jié)果表明,螺栓材質(zhì)及熱處理沒有問題。螺栓斷口形貌如圖6所示。

圖6 螺栓斷口形貌

2.3.3 拉伸試驗

考慮螺栓斷裂多根,不是單一個性缺陷,任意拆除3只完好的螺栓進行拉伸試驗。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),3根螺栓屈服強度Rp0.2分別為429、421、462 MPa,低于螺栓設(shè)計屈服強度>580 MPa要求。且斷裂點均在頭桿結(jié)合部,而沒有在理論斷裂位置螺紋部分。斷后伸長率δs也明顯低于要求的14%,試驗結(jié)果見圖7。對斷裂剩余螺桿部分再次拉伸測試,剩余螺桿屈服強度Rp0.2實測平均值為690 MPa,抗拉強度Rm實測平均值為800 MPa,螺栓斷裂剩余部分強度符合要求。

圖7 拉伸試驗(應(yīng)力—應(yīng)變曲線)

2.3.4 受力有限元分析

根據(jù)螺栓零件圖建立有限元模型,模型全部采用六面體網(wǎng)格。在螺栓底部施加X,Y,Z向約束,螺栓頭部與極靴板接觸面上施加拉伸力。螺栓有限元計算等效應(yīng)力分布云圖如圖8所示,最大等效應(yīng)力發(fā)生在螺栓頭部圓弧倒角處,并存在嚴重的應(yīng)力集中,且隨著圓角半徑增大,圓角處的最大等效應(yīng)力明顯降低。

圖8 螺栓有限元應(yīng)力分析

查看螺栓原始零件圖,螺栓頭部尺寸有修改痕跡。電動機廠解釋為了螺栓緊固工具操作方便,將螺栓頭部十字槽深度由12 mm增加至15 mm,螺栓頭部高度的最小壁厚由14 mm減小至11 mm。相關(guān)螺栓螺釘國家標準中,開槽和十字槽螺釘頭部槽的設(shè)計均為“一”字槽或內(nèi)“十”字,而非貫通“十”字;螺栓頭部高度、開槽深度、最小壁厚也有相應(yīng)要求。該螺栓設(shè)計不完全滿足相關(guān)要求。

綜上各項檢測及分析,可以確定螺栓斷裂失效有以下因素:電動機在高速運轉(zhuǎn)工況下,在磁極離心力及螺栓預(yù)緊力兩者作用下,極靴螺栓所受拉應(yīng)力接近理論屈服強度,螺栓可能產(chǎn)生塑性變形;為適應(yīng)裝配,螺栓頭部十字槽深度人為增加,導(dǎo)致螺栓頭桿結(jié)合部應(yīng)力集中,螺栓最大承受拉伸能力大幅下降;此外,極靴20只螺栓因位置不同,裝配精度、預(yù)緊力差異等,造成每個螺栓受力不盡相同,理論上極靴兩端部螺栓所受應(yīng)力最大。上述因素綜合作用,造成極靴端部螺栓疲勞斷裂失效。

3 改進措施與效果

鑒于螺栓失效原因分析,對極靴固定螺栓結(jié)構(gòu)型式進行改進,螺栓頭采用外梅花型替代原來十字開槽型,這樣開槽深度對螺栓強度幾乎沒有影響;同時嚴格螺栓加工工藝,倒角由R1.5mm增大到R4mm,減小應(yīng)力集中。改進前后螺栓型式見圖9。

圖9 螺栓改型前后對比

對改型后螺栓進行拉伸試驗,新螺栓屈服強度平均值超過690 MPa,抗拉強度Rm實測平均值超過820 MPa。螺栓的斷口均發(fā)生在螺紋位置,而不在頭桿結(jié)合部,符合預(yù)期,見圖10。螺釘改進前后,通過受力有限元分析,螺釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力由517 MPa降低到303 MPa,明顯提高了螺釘?shù)陌踩禂?shù)。

圖10 螺栓改型前后斷裂位置比較

此外,綜合螺栓受力情況,重新確定螺栓擰緊力矩。按照屈服強度的70%作為螺栓總的工作拉伸強度?？紤]電動機高速運行時磁極離心力對螺栓拉伸應(yīng)力的附加作用,推算極靴螺栓靜態(tài)最大預(yù)緊力為355 kN,則螺栓最大擰緊力矩M=2 045 N·m。

4 結(jié)束語

(1) 極靴螺栓頭部十字槽深度的增加大大降低了螺栓整體抗拉強度。梅花型螺頭可以滿足裝配工具要求并避免螺栓頭桿結(jié)合強度不足問題。

(2) 由于電動機磁極高速旋轉(zhuǎn)離心力增加了螺栓拉伸應(yīng)力,螺栓靜態(tài)擰緊力矩選擇要比正常小。任何工況下,二者合計拉伸強度不應(yīng)超過螺栓屈服強度的70%。