电动机冷却风扇故障分析及处理研究

　　摘要：针对白山热电有限责任公司YTM710-6型磨煤电动机的风扇频繁发生损坏事件, 分析了风扇损坏是由于风扇半径较大、材质塑性不足、焊接应力没有消除及电动机振动引起的, 其中电动机振动是引起风扇损坏的主要原因。通过采取缩小风扇半径、选择塑性强的Q235钢材、用喷射金属丸法消除焊接应力、改变风扇座与风扇之间的连接材料以减小振动对风扇的影响等措施对风扇进行了改造。改造后经过一年的试运行, 风扇满足正常运行要求, 没有出现损坏故障, 既减少了经济损失, 又保证了机组的安全稳定运行。

　　关键词：电动机,风扇,振动,故障处理

　　电动机在能量转换时, 总有一小部分损耗转变成热能, 必须通过电动机冷却系统和周围介质不断将热量散发出去, 这个散发热量的过程叫冷却。电动机热源来自于电动机内部, 即电流流过定子绕组时产生的铜损耗, 在铁心内当磁通变化时所产生的铁损耗, 轴承摩擦产生的机械损耗及部分附加损耗。YTM710-6型电动机是封闭式电机, 采用内部以密闭空气为冷却介质的自循环系统, 外部以周围环境空气为冷却介质的无限循环系统, 通风系统中内部主要由内风扇及其冷却风路组成, 外部主要由外风扇和冷却风箱组成。白山热电有限责任公司1、2号球磨煤机采用YTM710-6型电动机, 此型号球磨煤机电动机在运行中经常发生内、外风扇损坏的故障, 不仅影响设备正常运行, 还可能因内风扇开裂刮伤定子线圈, 造成更换全部线圈的设备严重损坏事件发生。

　　1 设备状况

　　白山热电有限责任公司自2007年投产, 1、2号炉YTM710-6型磨煤电动机8台转子内、外风扇均发生过损坏事件。据2007年12月至2016年6月期间的统计, 共发生损坏事件18起, 平均每年2起, 所有电动机的内、外风扇均损坏过, 其中2015年2月28日发生过2号炉2号磨煤电动机因为内风扇开裂刮伤定子线圈, 更换全部线圈的严重事件。风扇损坏有多样原因, 有风扇叶片开裂、外挡风板开裂、内挡风板开裂等, 但大部分开裂位置靠近焊接面附近。为了防止磨煤电机风扇损坏事件频繁发生, 采取过一些改造措施, 如风扇的叶片、外挡风板由3 mm改成5 mm (增加强度) , 风扇的全部材质由Q345改成Q235 (增加韧性) 等等, 效果不是很明显, 改造过的风扇依然发生损坏事件。为了彻底解决YTM710-6型电动机风扇频繁损坏情况, 本文分析了出现故障的原因, 并实施设备改造, 使电动机冷却风扇安全运行。

　　2 原因分析

　　a.风扇半径较大。电动机风扇最大半径为1 120 mm, 与其他电动机相比较, YTM710-6型磨煤电动机内风扇设计半径较大, 需要克服较大的离心力和转动惯量。

　　b.材质塑性不足。观察YTM710-6型电动机的风扇断裂面, 断裂前没有发生明显的塑性变形, 断口平整光亮, 有金属光泽, 且与正应力垂直, 属于脆性断裂。风扇材质为Q345, 伸长率不小于21%, 制作风扇采用的金属材质塑性不够, 在振动等不良运行条件下容易开裂, 甚至断裂。

　　c.焊接应力未消除。YTM710-6型电动机的风扇断裂面大多数集中在焊接面周围, 与焊接产生的残余应力有很大关系。所有熔化式焊接, 在焊缝及其热影响区都存在较大的残余应力, 残余应力的存在会导致焊接构件的变形、开裂并降低其承载力, 使焊接接头的疲劳寿命大大降低。残余应力都集中在焊缝附近, 当焊接残余应力与承载的工作应力叠加, 其数值超过材料的屈服极限时, 工件就会在焊缝附近产生焊接变形、断裂等现象。风扇焊接后, 未消除焊接应力或消除焊接应力工艺不良, 焊接面周围, 在力、振动等影响下容易开裂。

　　d.电动机振动。YTM710-6型磨煤电动机与其他高压动力机械如排粉机、一次风机、送风机、吸风机电动机的结构相同, 但是其他电动机的风扇从未发生过损坏事件。磨煤电动机与其他电动机的唯一不同之处是所带负荷不同, 其他电动机所带负荷是大小没有变化或匀速变化的负荷, 正常情况下对电动机的振动等运行条件影响很小, 但磨煤电动机不同, 它所带负荷是无规则随时变化的, 虽然中间隔有减速机, 但对电动机振动的影响还是很大, 这是所有球磨煤电动机的共性缺陷, 无法避免。有时减速机部分齿轮损坏时磨煤机还投入运行, 这时对电动机振动影响更大。白山热电有限责任公司200 MW机组球磨煤Y630-1-6型电动机、100 MW机组磨煤JS158-6型电动机均发生过风扇损坏事件, 但其他高压电动机未发生过风扇损坏故障, 这充分说明球磨煤机对电动机的振动影响很大。因为球磨煤机特殊运行状态引起电动机的振动, 风扇在振动状态下运行产生自振, 离转轴越远风扇构件的自振幅值越大, 达到一定程度使风扇构件内部产生很多小裂纹, 长期运行积累造成部分风扇构件的开裂、断裂, 这是YTM710-6型电动机的风扇断裂的主要的原因。

　　3 改造方案

　　a.缩小风扇半径。通过YTM710-6型电动机散热风量的计算值与实际值相比较, 电动机绕组温度历史曲线的查看结果, 确定YTM710-6型电动机的风扇半径可以改小, 风扇最大半径由原来的1 120 mm减少到1 060 mm。风扇半径的减小不仅降低风扇的转动惯量, 延缓风扇的损坏周期, 还有优化电动机的结构作用, 可减小电动机的机械损耗, 提高电动机的效率, 达到节能的效果。

　　b.选择塑性强的钢材。将风扇材质由Q345改成Q235, Q235虽然抗拉强度不如Q345, 但塑性好于Q345, 伸长率不小于26%。改造后发现Q235材质风扇不像Q345材质能引起大面积同时断裂, 而是一小部分先开裂逐渐形成断裂面从而减小破坏程度。通过对YTM710-6型电动机风扇断裂面的观察及分析, 由原来的Q345改用Q235材质, 风扇叶的与轴垂直布置改为旋转60°角, 并且变成半径600 mm弧度, 可延缓故障发生的周期, 降低故障的严重程度。

　　c.消除焊接应力。消除焊接残余应力有时效法、加热法、振动法、喷丸法等, 所用设备有豪克能应力消除设备、振动时效设备, 喷射金属丸设备等。焊接构件喷射金属丸使被处理的金属表层在冲击性的敲打下趋于侧向扩张, 但被周围的材料所约束, 从而使零件表面产生残余压应力, 显着提高零件的疲劳寿命或强度。YTM710-6型电动机的风扇断裂面大多数集中在焊接面周围, 采用喷射金属丸法可延缓风扇断裂的故障的发生周期。

　　d.减小电动机振动对风扇的影响。球磨机运转的形式必然引起电动机振动, 电动机风扇长期在振动状态下运行是不可避免的。原有风扇座与风扇之间以金属连接, 现改为与钢铁密度相差很大的聚四氟乙烯板过渡连接, 把振动大部分能量反射回去。利用衍射原理加设孔、缝等障碍物, 减小能量的传播;利用偏振原理改变风扇叶片的角度, 尽可能阻止能量传播到离轴最远端风扇上。由于离轴最远端的速度快、离心力大、转动惯量大等原因, 风扇的振动疲劳破坏都从这个位置开始, 风扇底座与风扇之间通过聚四氟乙烯板连接, 把振动波的大部分能量控制在离轴较近的位置, 可减小振动对风扇的影响。

　　4 改造效果

　　2018年3月, 白山热电有限责任公司联系电动机风扇生产厂家按照上述改造方案制做了一台风扇, 安装在2号炉3号磨煤电机上。风扇改造后经过一年的试运行, 满足正常运行要求, 没有出现损坏故障。一台YTM710-6型电动机风扇损坏, 刮伤定子绕组, 需要更换全部定子绕组、风扇、风圈等配件, 会造成25×104元左右的经济损失。风扇改造成功, 既减少了经济损失, 又保证了机组的安全稳定运行。