离心纺丝电锭故障分析

赵献丹，何庆中，王永斌，郭　斌

(四川理工学院机械工程学院，四川 自贡　643000)



离心纺丝电锭故障分析

赵献丹，何庆中，王永斌，郭斌

(四川理工学院机械工程学院，四川 自贡643000)

离心纺丝电锭工况较恶劣，故障率高。对某化纤生产企业的故障电锭进行研究，发现故障电锭损坏主要集中在轴承和电机部分。对电锭轴承的疲劳寿命进行分析，计算出轴承的疲劳寿命约为75d；对生产现场的电锭进行抽样分析，发现电锭的故障时间约为70～90d；对100台电锭分别进行轴承维护和电机维护，对比故障结果，判定离心纺丝电锭故障产生的根本原因是轴承的疲劳损坏。

离心纺丝电锭；轴承；疲劳寿命；故障

中国是世界上最大的化纤生产国，《2016—2022年中国化学纤维行业分析及投资决策研究报告》显示：2015年中国化学纤维市场产量达4872万t。离心式连续纺丝机是生产粘胶长丝的一种重要设备，其核心部件是离心纺丝电锭，GD型离心纺丝电锭是目前国内化纤企业中使用最多的一种电锭，结构如图1所示。三相交流变频电机为电锭提供动力，电机定子直接安装在电锭机壳上，电机的转子直接和转轴连接，转子由上下两个深沟球轴承支承，在变频器的驱动下，电机带动离心罐以8500r/min速度旋转[1]，丝束进入高速旋转的离心罐内，在离心力作用下加捻并缠绕成丝锭。这种电锭结构简单、重量轻、制造方便，运转平稳，加速性能好，易于实现高转速。

1.离心罐，2.芯轴，3.密封盖，4.机壳，5.轴承，6.锭子，7.转子，8.胶垫图1　电锭结构

化纤生产普遍采用湿法纺丝工艺，电锭的工作环境湿度大、酸性腐蚀大，再加上电锭的工作转速高，因此电锭的故障率高[2]。

电锭发生故障后，一般是凭维修工人的经验来排查故障并进行维修。但是纺丝企业的电锭数量巨大，凭经验进行维护，不但效率极低，而且维护成本相当高[3]。如果能够找出电锭故障的根本原因并进行有效维护，将极大提高纺丝机运行的可靠性和产能，降低生产成本。

本文对某化纤生产企业的故障电锭进行统计分析，并结合理论探究了电锭故障产生的根本原因。

1　轴承疲劳寿命分析

某化纤生产企业拥有离心纺丝电锭36000台，由于故障率高，维护量大，该企业每年都要花费大量资金用于纺丝电锭的维修保养，极大影响企业的经济效益。

通过对损坏电锭的拆解分析，发现电锭损坏主要集中在轴承和电机两个部分，电机的损坏主要是转子的磨损和定子线圈烧坏。

电锭在启动、停机和稳定运行过程中，不可避免地存在不平衡力，尤其在离心罐的内壁，原浆和水分分布的不均匀会产生不平衡力，导致电锭产生振动，对轴承造成冲击，特别是电锭启停过程中，当振动频率和电锭的固有频率相等时，会产生共振，对轴承产生更大的冲击。粘胶长丝的生产过程是周期性的，当一锭长丝成锭后，电锭停机，取出丝锭，然后再起动电锭，生产另一锭，周而复始，在这种周期性的启停过程中，系统会产生共振，尽管这种共振时间较短暂，但冲击作用积累后将加速轴承的疲劳破坏，从而使得轴承间隙增大，而转子和定子之间的间隙很小，轴承间隙增大到一定程度后，转子和定子将会接触，发生摩擦，造成定转子的磨损，摩擦所产生的高温将破坏定子线圈的绝缘性能，最终导致定子线圈的烧毁，致使电锭无法正常工作，因此推测轴承疲劳破坏是电锭故障的根本原因。

为了进一步确定电锭的故障原因，对轴承的疲劳寿命进行理论分析。滚动轴承的疲劳寿命可用式(1)表示：

(1)

其中：Lh—轴承寿命；C—基本额定动载荷；P—当量动载荷；ft—温度系数；fp—载荷系数；ε—寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3；n—轴承的工作转速。

在离心纺丝电锭运行过程中，轴承既要承受不平衡力产生的径向载荷，还要承受离心罐、转轴等产生的轴向载荷，同时承受径向载荷和轴向载荷，深沟球轴承的当量动载荷可用式(2)表示：

P=XFr+YFa

(2)

其中：X—径向载荷系数；Y—轴向载荷系数；Fr—径向载荷；Fa—轴向载荷。

为求得电锭轴承的当量动载荷，采用Adams/vibration模块进行电锭的振动响应分析，这不仅可以获得电锭的振动响应特性，还可以得到电锭轴承在不平衡质量作用下承受的动载荷[4]，如图2所示。径向载荷取其稳定工作时的最大值Fr=940N，轴向载荷为离心罐和转轴等的重力Fa=18.2N。

图2　轴承径向载荷

根据电锭的工作条件，可以确定疲劳寿命计算的相关参数[5-6]，如表1所示。电锭使用6000系列的深沟球轴承，内径为17mm，基本额定动载荷C为9580N；电锭工作温度在80℃以下，温度系数ft取1；电锭在运转时存在一定的冲击载荷，属于轻微冲击，载荷系数fp取1.05。

表1疲劳寿命公式参数值

XYFr/NFa/NC/Nftfpn/(r/min)ε1094018.2958011.0585003

将参数代入式(1)可以得到电锭轴承在工作过程中的疲劳寿命为1793h，约为75d。

2　电锭故障统计分析

为了验证理论计算的可靠性，确定电锭故障产生的主要原因，对该企业的电锭进行统计分析，随机选取生产线上的3600台电锭作为研究对象，并进行标记，然后对标记的电锭运行状况进行监控。

经过约100d，标记的3600台电锭都出现故障，无法正常运行，对电锭出现故障的时间、数量进行统计，得到电锭故障分布，如图3所示。

图3　电锭故障台数分布

统计数据表明，发生故障的电锭的数量接近正态分布，在80d左右电锭出现故障的数量最多，90%的电锭在运行70～90d后出现故障。

将故障电锭拆解，对其内部零件进行仔细观察分析，发现几乎所有故障电锭的轴承都产生了疲劳损坏，电机定子线圈烧坏，而其他零件基本正常。由此可以推断，电锭运行70～90d时，电锭内部的转子支承轴承和电磁系统的线圈将会损坏，从而导致电锭停机。

为了进一步判定轴承和电机哪个是造成电锭故障的根本原因，维护人员对刚维护好的、状态良好的电锭进行了两次抽样试验：a)随机抽取100台电锭，在第50d时，更换电锭的支撑轴承；b)随机抽取另外100台电锭，在第50d时，更换电锭电机的定子线圈。

将两组电锭采用不同的方式进行标记，开机运行，第50d时，对第一组电锭进行更换轴承的维护操作，对第二组电锭进行更换线圈的维护操作。然后继续运行，100d后停机检测。通过观察发现，更换轴承的第一组电锭只有一台电锭故障停机，其余99

台都能够继续正常工作；而更换线圈的第二组电锭有99台电锭出现故障，仅1台没有出现故障。

3　结　论

通过对故障电锭的分析和抽样运行试验，得出如下结论：造成电锭运行故障的根本原因在于轴承的损坏。

依据滚动轴承疲劳寿命公式计算得到轴承的寿命为75d，与试验所得的70～90d不完全一致，这是因为轴承疲劳寿命是指轴承出现疲劳点蚀的时间，距离轴承完全疲劳破坏、电锭故障停机还需要一定的时间。据此可以认为理论计算结果基本正确。

影响电锭轴承寿命还有以下因素：一方面，在离心电锭启动和停机过程中，因转动部分的不平衡动载荷，电锭会产生短时共振现象，使支承轴承存在一定的附加动态应力，从而加速轴承的损坏；另一方面，由于电锭结构上并不是封闭的，轴承也没有密封，电锭工作环境中的水分和酸性物质对轴承的腐蚀必然会降低轴承的寿命。

通过对电锭故障原因的分析，找出电锭故障的根本原因，对于提高化纤生产企业的生产效率，降低电锭的维护保养费用，降低企业生产成本具有一定的价值。

[1] 刘玉来.GD-1型新型纺丝电锭的应用[J].人造纤维,2003,33(3):16-17.

[2] 于会荣.改进电锭绕组浸漆工艺、降低电锭烧包率[J].人造纤维,1999(4):35-37.

[3] 陈靖,杨平,杨宏.纺丝机电锭组件的故障诊断技术研究[J].微计算机信息,2005,21(12):128-130.

[4] 严世榕，李智强.整车环境下动力总成悬置系统振动特性研究[J].福州大学学报(自然科学版),2014,42(1):103-109.

[5] 赵永刚.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社,2014：194.

[6] 骆素君.机械课程设计简明手册[M].北京：化学工业出版社，2011: 231.

(责任编辑：康锋)

Analysis on Fault of Centrifugal Electric Spindle

ZHAOXiandan,HEQingzhong,WANGYongbin,GUOBin

(Institute of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering , Zigong 643000, China)

Failure rate of the centrifugal electric spindle is high under the harsh operating condition. Through studying electric spindle failure of a chemical fiber production enterprise, it is found that electric spindle failure contains two aspects, bearing and motor. Then, the fatigue life of the bearing was analyzed and its fatigue life was figured out, i.e. about 75 days. It is found from sampling analysis of the electric spindle in the production field that, the fault time of electric spindle is about 700～90 days. The bearing and motor maintenance was done for 100 motors, and the fault results were compared. The basic reason of centrifugal electric spindle fault is the fatigue failure of the bearing.

centrifugal electric spindle; bearing; fatigue life; fault

2015-09-14

过程装备与控制工程四川省高校重点实验室项目(GK201207)；自贡市科技局项目(2012Z09)；人工智能四川省重点实验室项目(2014RZY03)

赵献丹(1973-)，男，湖面湘潭人，硕士，讲师，主要从事机电一体化技术方面的研究。

TS152.7

A

1009-265X(2016)05-0046-03