凸極同步電動機極靴固定螺栓失效分析與改進

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、過載能力、轉速及容量選用方面優勢明顯。因此,在大容量、高轉矩等軋機、空壓機等設備驅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構外,其他轉速同步電動機大多采用凸極結構型式。凸極同步電動機轉子磁極采用裝配式結構,隨著運行時間的增加,尤其變載、調速工況的大型凸極同步電動機大多出現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速凸極式同步電動機,電動機參數為6 500 kW,3 300 V,4P,電動機轉速范圍為395～1 200 r/min。運行中電動機發生定子繞組接地故障。最終電動機抽芯檢查,發現轉子極靴板固定螺栓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

同步電動機定子結構與鼠籠異步電動機完全相同,但其轉子結構復雜,且電動機故障主要是發生在轉子上。同步電動機從轉子結構上分凸極式與隱極式兩種結構。隱極式電動機轉子繞組三維繞制,嵌入轉子鐵心槽中。制造工藝復雜,但結構牢固,一般主要用在2極高速電動機上。在國內、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驗豐富,除了2極電動機外,4極至20極甚至更高極數的變載、調速沖擊負載工況的同步電動機仍采用隱極結構。凸極式同步電動機轉子磁極模塊化設計,制造、裝配、維修方便。目前,除西門子公司外,其他國內、外大多數電動機制造商在4極及以上同步電動機制造中均采用凸極式結構。

故障電動機采用的就是凸極結構型式,根據電動機損壞情況可以明顯看出:電動機轉子極靴板固定螺栓斷裂,導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 凸極轉子結構

凸極同步電動機轉子主要由轉軸、磁軛、磁極鐵心及線圈組成。此外,絕大部分同步電動機轉子還設有阻尼或啟動繞組。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子半徑提高,目前凸極同步電動機轉子主要有三種結構方式:

(1) 對于多極低速、大轉矩的同步電動機(Pn/Nn≥120)[1],由于轉子尺寸大,轉軸采用“傳動端軸+中間段空心筒體+非傳動端軸”三段式聯接結構。為增加轉子磁軛半徑,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構,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接一體。高強螺栓從圓筒內部將帶芯棒的疊片磁極吊緊固定在圓筒磁軛上,見圖2。該類結構常用在中、厚板軋機或熱軋粗軋主傳動電動機上。

圖2 圓筒磁軛結構

(2) 對于4極以上、轉子直徑相對小一些的同步電動機,轉子一般采用鍛鋼實心軸結構,磁軛與轉軸整體鍛造成型。對轉子直徑相對大一些的同步電動機,為降低成本,采用擴徑磁軛與轉軸熱套聯接結構。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。該類結構通常用在熱軋精軋軋主傳動電動機上。

圖3 鴿尾磁軛結構

(3)對于4極同步電動機,由于單極回轉半徑大、質量重、鐵心長等特點,除了做成隱極式轉子外,凸極式轉子疊片磁極結構無法滿足機械強度要求,一般必須采用實心磁極結構[2]。即磁極鐵心、磁軛及轉軸為一體,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。該類結構通常用在轉速較高的冷軋酸軋機組主傳動電動機或恒速風機、壓縮機驅動電動機上。

圖4 實心磁極結構

凸極同步電動機轉子上述裝配式結構,設計考慮不周、工藝缺陷及惡劣工況都會造成部件強度及穩定性出現問題,尤其各部件間的聯接及固定發生故障頻率最高。

故障電動機采用的是上述第三種結構型式——實心磁極結構,極靴板實現磁極的固定。

2.2 極靴螺栓受力分析

為查找、驗證轉子磁極極靴固定螺栓斷裂失效根本原因,根據電動機轉子具體結構,對故障電動機轉子及螺栓進行受力分析。電動機轉子剖面圖如圖5。電動機磁極鐵心與磁軛為一體式鍛造加工,轉子勵磁線圈整體套在磁軛上,由20只M48螺栓經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生縫隙,螺栓應該預緊。磁極線圈間采用元寶形磁極撐塊圓周方向將各極勵磁線圈彼此撐緊。

圖5 電動機轉子剖分圖

電動機運行時,螺栓承受預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,當電動機1 200 r/min最高轉速時,核算電動機旋轉磁極部件的離心力。轉子極靴、勵磁線圈實際尺寸、質量、磁極各部件離心力見表1。

表1 轉子部件離心力

假設磁極螺栓僅承受拉伸應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生的拉應力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)

磁極螺栓還有預緊力。這臺電動機M48螺栓電動機廠家的預緊力矩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緊力的值(擰緊力矩系數K=0.12,極靴孔為精加工表面):

(2)

每個把合螺栓上預緊力產生的拉應力:

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速工況下,極靴螺栓所受拉應力已經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量缺陷。對螺栓化學成分、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力分布云圖進行螺栓斷裂失效原因查找。

2.3.1 化學成分

對螺栓進行化學成分檢驗,結果如表2。

表2 螺栓化學成分

根據檢測結果判斷螺栓材質為35CrMo,與設計一致,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角外表面向內擴展,并延伸至螺栓頭部的十字槽內。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為淬火+回火的調質熱處理狀態。檢驗結果表明,螺栓材質及熱處理沒有問題。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。測試結果發現,3根螺栓屈服強度Rp0.2分別為429、421、462 MPa,低于螺栓設計屈服強度>580 MPa要求。且斷裂點均在頭桿結合部,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(應力—應變曲線)

2.3.4 受力有限元分析

根據螺栓零件圖建立有限元模型,模型全部采用六面體網格。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力分布云圖如圖8所示,最大等效應力發生在螺栓頭部圓弧倒角處,并存在嚴重的應力集中,且隨著圓角半徑增大,圓角處的最大等效應力明顯降低。

圖8 螺栓有限元應力分析

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。相關螺栓螺釘國家標準中,開槽和十字槽螺釘頭部槽的設計均為“一”字槽或內“十”字,而非貫通“十”字;螺栓頭部高度、開槽深度、最小壁厚也有相應要求。該螺栓設計不完全滿足相關要求。

綜上各項檢測及分析,可以確定螺栓斷裂失效有以下因素:電動機在高速運轉工況下,在磁極離心力及螺栓預緊力兩者作用下,極靴螺栓所受拉應力接近理論屈服強度,螺栓可能產生塑性變形;為適應裝配,螺栓頭部十字槽深度人為增加,導致螺栓頭桿結合部應力集中,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,對極靴固定螺栓結構型式進行改進,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。螺栓的斷口均發生在螺紋位置,而不在頭桿結合部,符合預期,見圖10。螺釘改進前后,通過受力有限元分析,螺釘的最大等效應力由517 MPa降低到303 MPa,明顯提高了螺釘的安全系數。

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力的附加作用,推算極靴螺栓靜態最大預緊力為355 kN,則螺栓最大擰緊力矩M=2 045 N·m。

4 結束語

(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合強度不足問題。

(2) 由于電動機磁極高速旋轉離心力增加了螺栓拉伸應力,螺栓靜態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超過螺栓屈服強度的70%。