在高压电机停机事故中.因轴电流造成的轴承烧毁占比较大。 由于轴电压较低，不易测岀，故有必要对轴电流和轴电压采取有效的预防措施。 针对轴电流产生的原因，从设计、工艺和电源质量等方面进行分析，提岀了相应的预防措施。 高压电机普遍应用于水泥、化工、钢铁和煤炭等行业，高压电机故障率的高低关乎整条生产线的运行安全。 在高压电机停机事故中，由于轴电流引起的轴承烧毁占比较大，由此造成的损失也较大。 由于轴电压较低且不易测出，故有必要对轴电流和轴电压采取有效的预防措施，以降低电机的故障率。 1.轴电流的危害 电机在正常运行时，轴电压很低，轴承内的润滑油膜起绝缘作用，不会产生轴电流。 当轴电压超过润滑油膜的介电强度时就会击穿润滑油膜，进而形成轴电流。 轴电流会破坏润滑油脂的质量，降低油脂的润滑性能，从而导致轴承温度升高； 2.轴电流产生原因 轴电流的产生需要具备两个必要的条件,一是转轴两端存在轴电压；二是轴承绝缘损坏或电压过高击穿轴承润滑油膜，为轴电流提供了必要的通路 2.1电机设计原因 大中型高压电机的定子铁心冲片大多选用扇形片，当扇形片的数量与电机极对数关系不正确时就极易产生轴电流，如电机极对数为P，定子铁心片数（即接缝数量）为n，则分数n/p约分后为n'/p',当n'，为偶数时，不会产生轴电流；当n'为奇数时，则会产生轴电流，其轴电流频率为加fn'，其中f为电源频率。 以50Hz、16极电机为例，如定子冲片数为6,n/p约分后n'为3,则在转轴上将产生频率为150Hz的轴电流，由于电流回路的阻抗很小，所以产生的轴电流很大，严重威胁轴承的安全运行。 2.2制造工艺及运行原因 由于电机装配工艺缺陷，电机可能存在一定的偏心，导致磁阻沿铁心方向分布不均匀，从而形成了与转轴的交链磁通，使转轴两端产生感应电动势。 此时，如果电机轴承采用的是非绝缘结构，便会在轴承端产生轴电流； 如果电机设计中已采用绝缘轴承或绝缘轴承套，但由于装配过程中操作不当，损坏了轴承结缘结构或轴承套绝缘层，便会形成轴电流产生所必要的通路，进而形成轴电流； 在诸如绕线转子高压电机这类型式的产品运行过程中，当一相绕组绝缘损伤而发生接地故障时也可能会有接地电流从轴承流过，从而产生轴电流损伤轴承的情况； 另外，可拆卸式定子铁心由于加工工艺问题而导致两半圆铁心之间存在间隙时，也可能导致轴电压和轴电流的产生。 除此之外，还需要注意电机使用现场周围是否存在较多的高压设备同时运行，当电机在强电场作用下运行时,也可能在转轴的两端感应出轴电压和轴电流。 2.3电源质量导致轴电流产生 高压电机采用变频电源供电，三相电源输出电压矢量不为零，产生共模电压。 电机正常运行时，轴承内形成润滑油膜，在电机两端形成电容，加上电机系统内耦合电容分压影响，形成轴电压； 由于定子绕组和机壳之间存在很大的耦合电容，在高频谐波作用下会产生电机绕组对地的泄漏电流，电流频率在100kHz以上，频率变化的电流在电机周围形成变化的磁通，在磁通的作用下,于电机转轴处产生轴电压。 轴电压产生后只要有回路便会形成轴电流。 3.轴电流的预防措施 大中型电机在设计过程中，必须校核铁心扇形片数量n与电机极对数p的关系，n/p约分后为n'/p',n'取值不能为奇数，可在设计源头规避轴电流的产生。 由于电机制造安装及工艺原因而产生轴电流时，一般可采用非轴伸侧加装绝缘轴承套、绝缘垫板或采用绝缘轴承等措施，有效切断轴电流回路。 对于采用此类方法处理后的电机，在其运行过程中应加强巡检，保持绝缘结构清洁和完好，定期测量绝缘电阻值。 在绝缘电阻值测量时推荐采用500V兆欧表，绝缘电阻值应不低于0.5MQ为宜，可有效保证其绝缘作用； 对于设计时已采用绝缘轴承、绝缘轴承套或绝缘垫板的电机，应加强安装操作人员的培训，保证其安装的正确性和规范性，安装完成后有必要再次测量其绝缘电阻值； 对于绕线转子三相异步电机而言，在每次停机后均需测量转子绕组的绝缘电阻值，预防转子绕组运行中某一相接地而产生轴电流； 对于因静电场而产生的轴电压而言，可采用在电机轴伸端安装接地碳刷的方式进行有效预防，但需确保碳刷与转轴保持良好接触，接地碳刷可将电动机转子的电流引入大地，保证转轴为零电位，达到预防瞬时轴电流的目的。 高压电机采用变频电源供电时，变频器的高频谐波会产生共模电压和共模电流。 此时可考虑在变频器输出端增设共模滤波装置，工程中一般会在电源电缆套端加设滤波磁环,使高频电流在磁环中被吸收，以抑制共模电流。  

   电机断轴发生在轴伸根部和轴伸端轴承位根部位置的情况居多。如果电机出现了轴断裂现象，应对轴断裂面进行宏观观察和微观分析，找出断口裂纹源位置及原因所在，从根本上使问题得到抑制。 轴断裂面处于轴上轴承安装处的过渡圆角区域（轴承安装根部）。如果断口表面齐整并与轴向垂直，无缩颈和塑性变形痕径。断口疲劳条带明显，从外圆向中心延伸，最终瞬断区面积小于轴截面积的15%。 电机轴力学计算分析由于电机轴为阶梯轴，不同阶梯截面处承受的力矩和应力是不同的。电机运行时轴受到弯扭力矩的共同作用，如果某一阶梯截面承受应力过大，则可能最先在阶梯截面过渡圆弧处萌发裂纹和发生断裂，因此找出电机轴受力危险截面，对判断轴断裂原因有重要作用。 电机轴断裂的原因归纳 电机轴断裂是多个因素叠加的结果。本文列举几种最常见的原因： （1）制造潜在质量问题。电机轴断裂形式属于低应力旋转弯曲疲劳断裂，其根本原因为电机轴生产加工过程中存在缺陷，如轴肩过渡圆角无工艺控制要求、焊后未进行热处理、堆焊层夹杂物超级，导致轴肩圆角应力集中，在旋转弯曲力矩的作用下产生疲劳开裂，最终导致了电机轴的断裂。  （2）安装问题。如果采用皮带轮传动，皮带张紧力偏大（大于皮带厂家建议值），增大了电机轴的负荷，是电机轴发生断裂的促成因素。采用联轴器安装的电机，如果不能保证电机与设备轴线的同轴度，同样会导致轴疲劳断裂。  （3）幅板轴断裂。排除安装因素外，幅板轴常会在幅板焊接位置出现不规则裂纹，大多数电机生产厂家通过退火工艺、并在幅板与主轴连接的两端，通过加工应力槽的方式解决该类轴的断轴问题。 窜轴 无论什么电机在什么时候都不应该窜轴，稍微有一点活动量，对电机本身影响不大，窜动量大到一定程度，就会有电流增加，电机温度升高，机械冲击加大，还可能影响其他设备等具体问题。Ms.参今天与大伙谈谈电机的窜轴问题。 导致电机窜轴的原因分析 （1）机械中心与磁场中心不一致。电动机在运行时，其转子将定位于磁场中心，而转子主轴与两轴承间有一个机械中心（即电机转子两端轴肩与轴承间间距相等的位置）。这两个中心可能存在不一致，安装时如果以机械中心为基准来调整轴肩间距，当电机启动后，转子将自动定位于磁场中心，电机轴的轴向窜动，将破坏原安装时调整好的轴向间距。当这个偏差不大时，对于齿轮式联轴器，可以由内外齿轮套的预留轴向间隙补偿；如果超过了联轴器预留轴向间隙时，则联轴器及被传动轴将受到一个轴向外加力，造成部件的端面摩擦，产生发热等有害影响。 （2）对于滑动轴承电机，转动轴系按联轴器找中心时出现误差。轴在轴承中不对中的偏差会对轴承增加很大的附加力矩，由于电机转子能在一定范围内沿轴向来回游动，轴系中心不正时，联轴器会产生固定方向的轴向分力，使转子在轴向分力的作用下克服磁场力向一侧推动，导致电机转子挡油肩胛与轴承外侧巴氏合金发生动静摩擦。 （3)电机转子两端的扬度不符合要求。电机转子两端轴颈扬度不合理，会引起电机转子在自身重力轴向分力的作用下克服磁场力向扬度小的一端滑动。因此，电机轴两端扬度合理是消除轴向分力的关键。 转子由于自重作用存在静挠度，这就表现为转子水平放置时两端或者说轴颈会向上扬起。用精密水平仪测得的这个扬起值习惯上叫转子扬度。 鉴于电机窜轴的各种原因，在电机设计、制造和安装过程中应规避问题，在实际过程中通过一些必要的手段抑制和预防问题的发生也很关键。 ● 轴与转子的配合选择过盈配合。如果因配合问题出现窜动，大多数是由于轴的加工尺寸出现问题，因为转子轴孔内径由冲模决定，理论上不会出现太大问题。 ●轴承两端的波形弹垫没有安装，或波形弹垫质量存在问题。有的电机使用工况，对轴的窜动量要求相对严格，电机制造厂家通过增加波形弹垫的方式解决问题，也有的厂家对于采用密封轴承的小电机在端盖上增加了止动挡圈。 ●风扇产生的轴向力，即电机运行时风对风扇叶的轴向力，但由此导致的窜动量非常小。 ●轴承与端盖配合选择不合适，或是由于加工质量问题导致两者配合出现较大的间隙。    

  转轴是电机的重要零件之一，它支撑各种转动零部件的重量并确定转动零部件对定子的相对位置，更重要的是，转轴还是传递转矩、输出机械功率(以电动机为例)的主要零件。   电机转轴都是阶梯轴，按照结构型式，基本上可分为实心轴、一端带深孔的轴和有中心通孔的轴三种类型。实心轴在电机中用得最普遍，一端带深孔的轴主要用于集电环位于端盖外侧的绕线转子异步电动机，有中心通孔的轴主要用于大型电机。   对于中小型电机，转轴的材料常用45优质碳素结构钢。对于小功率电机，转轴的材料可用35优质碳素结构钢或Q275碳素结构钢。中小型电机的转轴选用热轧圆钢作为毛坯，其直径需按转轴的最大直径加上加工余量进行选择，因此，转轴的切削量是较大的。直径200mm以上的转轴宜用锻件。钢材经加热锻造后，可使金属内部的纤维组织沿表面均匀分布，从而可得到较高的机械强度，锻出阶梯形还可减少切削余量，以节省材料消耗。图1-9所示为轴和转子的典型结构。  对转轴的加工精度和表面粗糙度的要求都比较高，转轴与其他零件的配合也比较紧密。因此，对转轴的加工技术要求应包括以下几个方面：   1尺寸精度   两个轴承档的直径是与轴承配合的，通过轴承确定转子在定子内腔中的径向位置，轴承档的直径一般按照m6精度制造。轴伸档和键槽的尺寸都是重要的安装尺寸。铁心档、集电环档或换向器档是与相应部件配合的部位，对电机的运行性能影响较大。以上各档的直径精度要求都较高。两轴承档轴肩间的尺寸也不能忽视，否则，会影响电机的轴向间隙，导致电机转动不灵活，甚至装配困难。    2形状精度   滚动轴承内外圈都是薄壁零件，轴承档的形状误差会造成内外圈变形而影响轴的回转精度，并产生噪声。轴伸档和铁心档的形状误差会造成与联轴器和转子铁心的装配困难。对轴的这些部位都应有圆柱度要求，其中尤以轴承档和轴伸档的圆柱度要求最高。   3位置精度   轴伸档外圆对两端轴承档公共轴线的径向圆跳动量过大，将引起振动和噪声。因此，这个径向圆跳动量要求较严。键槽宽度对轴线的对称度超差，将使有关零部件在轴上的固定发生困难。因此，对这种对称度的要求也较高。两端的中心孔是轴加工的定位基准，也应有良好的同轴度。   4表面粗糙度   配合面的表面粗糙度值过大，配合面容易磨损，将影响配合的可靠性。非配合面的表面粗糙度值过大，将降低轴的疲劳强度。轴承档和轴伸档的圆柱面是轴的关键表面，其表面粗糙度Ra＝0.8－1.6um。   转轴和转子的几何公差，以Y180M－4为例有： 转子外圆对两端轴承档公共基准轴线的径向圆跳动（0.05mm）。 转子轴伸外圆对两端轴承档公共基准轴线的径向圆跳动（0.025mm）。 转轴轴承档的圆柱度（0.019mm） 轴伸档圆度（0.008mm）。 键槽对称度（0.035mm）。  

  在电动机运行过程中，如果在电机两轴承端或转轴与轴承间存在轴电流时，将会大大缩短电机轴承的使用寿命，严重时只能运行几小时。下面小编跟大家来分析下电动机轴电压和轴电流的产生。   一、轴电压、轴电流的产生的原因   1.磁不平衡产生轴电压   交流异步电动机在正弦交变的电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。由于电动机定转子扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。当电动机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，便产生与轴相交链的交变磁通，从而产生交变电势。当电动机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交链的磁通。随着磁极的旋转，与轴相交链的磁通交替变化，这种电压是延轴向而产生的，如果与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。一般情况下这种轴电压大约为1-2V。    2.逆变供电产生轴电压   电动机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。异步电动机的定子绕组是嵌人定子铁芯槽内的，定子绕组的匝间以及定子绕组和电动机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过电动机绕组的分布电容由电动机的外壳到接地端之间形成漏电流。该漏电流有可能形成放射性和传导性两类电磁干扰。而由于电动机磁路的不平衡，静电感应和共模电压又是产生轴电压和轴电流的起因。当定子绕组输人端突加陡峭变化的电压时，由于分布电容的影响，绕组各点电压分布不均，使输入端绕组接近端口部分电压高度集中而引起绝缘破坏或老化。这种现象一般破坏的部分是定子绕组，电压常集中于侵入的端点部位。此外，由于绕组的电抗较大，输人电压的高频分量将集中于输人端点附近的分布电容上，通过配电线、绕组、机壳间的分布电容到接地线流通电流，形成一个LC串联谐振电路，当其中产生高频谐振电流时，就会产生各式各样的故障。一般通用变频器驱动容量较小的异步电动机时，轴电压的问题可以不考虑，但使用超过200kW的电动机时，特别是已有的风机、压缩机等进行变频调速改造的场合，最好事先确认轴电压的大小，以便及早采取预防措施。 3.静电感应产生轴电压   在电动机运行现场，由于高压设备强电场的作用，在转轴的两端感应出轴电压。    4.静电荷   电动机在运行过程中，负载方面的流体与旋转体运行摩擦而在旋转体上产生静电荷，电荷逐渐积累便产生轴电压。由这种情况产生的轴电压和由磁交变所产生的轴电压在原理上是不同的。静电荷产生的轴电压是间歇的，并且是非周期性的，其大小与运转状态、流体的状态等因素关系很大。如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。   5.外部原因   外部电源的介入产生轴电压。由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保护、测量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。   由上分析，电动机的轴电压、轴电流是由于环绕电动机轴的磁路不对称、转子运转不同心、感生脉动磁通等原因产生的。它会使轴一轴承一机座的回路有轴电流流通，在电动机转子轴两端、轴与轴承之间、轴与轴承对地形成轴电压。根据轴承的种类不同，其耐压程度有所不同，若超过轴承所允许的值，会通过油膜放电或者导电，在轴瓦和轴承处产生点状微孔，并在底部产生发黑现象。严重时会使轴和轴承受到损坏，运行中伴随着强烈的噪声及设备外壳带电等。 二、电动机轴电流的危害   大中型交流电动机采用稀油润滑的滑动轴承，电机轴是沉在油膜上的。正常情况下，转轴与轴承间的润滑油膜起到绝缘的作用。对于较低的轴电压，不会产生轴电流。当轴电压增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜构成回路，产生相当大的轴电流，可达到几百安甚至上千安。由于该金属接触面很小，电流密度大，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小凹坑。通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕，严重时足以把轴颈和轴瓦烧坏。   由于运行摩擦在轴上产生静电荷，使轴的电位因被充电而升高。当运转的轴接触到旋转体以外的任何部件时，便通达该部件进行放电。否则就要继续积累电荷，最后产生过高的电压，如果超过轴承油膜的绝缘强度时，电荷在极短的时间内放电。这种现象重复发生的结果，就能使轴受到损伤。   三、防止轴电流产生的措施   1、在轴端安装接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，随时将电机轴上的静电荷引向大地，以此消除轴电流。   2、为防止磁不平衡等原因产生轴电流，在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板，切断轴电流的回路。   3、要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘。   4、在机座中除一个轴承座外，其余轴承座及包括所有装在其上的仪表外壳等金属部件都对地绝缘、不绝缘的轴承应装接地电刷经防静电充电。   5、对于由轴交链交磁通所产生的轴电压，可在电动机一侧的轴承座下加绝缘垫以割断轴与轴瓦之间形成的回路，使轴电流无法产生。但在实际工作中对绝缘垫的作用认识不清，从绝缘垫加装的方法和轴承与油管道的边接上都不同程度地出现过问题，最后造成绝缘垫起不到绝缘作用，进而形成轴电流。所经我们要经常检查轴承座的绝缘强度，用500V摇表测量，绝缘不得低于0.5MΩ   6、保持轴与轴瓦之间润滑绝缘介质油的纯度，发现油中带水必须进地过滤处理，否则油膜的绝缘强度不能满足要求，容易被低电压击穿。

   在电压型变频器驱动电机时会发生一些寄生高频现象，其取决于电机系统本身的整体条件。由于逆变器du/dt变化，在导线末端会产生高频电流，它会流经轴承和所涉及到的组件。   在电机中产生的轴电流可以分成三种：EDM火花引起的电流（EMDcurrent），循环电流（Circulationcurrent）和转子对地电流（Rotorground current），参见图1，图11和图12。   循环电流和转子对地电流是高频电流，电流主要流经绕组对定子/外壳的寄生电容Cws。EDM电流产生是由于逆变器的共模电压在电机轴承上产生一个寄生电压降，当轴承润滑脂中的击穿场强超过一定值时就会引起EDM电弧放电。这些现象都会导致轴承内壁产生搓板式的条纹，继而在电机运行中产生巨大噪音，并可能导致轴承出现不可预测的故障。   在实际应用过程中我们可以通过使用降低逆变器开关器件IGBT的du/dt，采用绝缘轴承，加装逆变器输出共模扼流圈和对电机转子通过碳刷接地来大大降低这些流经轴承高频电流，但是经由共模电压引起的轴承润滑脂绝缘失效的放电很难得到控制。  

 电机断轴发生在轴伸根部和轴伸端轴承位根部位置的情况居多。如果电机出现了轴断裂现象，应对轴断裂面进行宏观观察和微观分析，找出断口裂纹源位置及原因所在，从根本上使问题得到抑制。轴断裂面处于轴上轴承安装处的过渡圆角区域（轴承安装根部）。如果断口表面齐整并与轴向垂直，无缩颈和塑性变形痕径。断口疲劳条带明显，从外圆向中心延伸，最终瞬断区面积小于轴截面积的15%。电机轴力学计算分析由于电机轴为阶梯轴，不同阶梯截面处承受的力矩和应力是不同的。电机运行时轴受到弯扭力矩的共同作用，如果某一阶梯截面承受应力过大，则可能最先在阶梯截面过渡圆弧处萌发裂纹和发生断裂，因此找出电机轴受力危险截面，对判断轴断裂原因有重要作用。电机轴断裂的原因归纳电机轴断裂是多个因素叠加的结果。本文列举几种最常见的原因：1、制造潜在质量问题。电机轴断裂形式属于低应力旋转弯曲疲劳断裂，其根本原因为电机轴生产加工过程中存在缺陷，如轴肩过渡圆角无工艺控制要求、焊后未进行热处理、堆焊层夹杂物超级，导致轴肩圆角应力集中，在旋转弯曲力矩的作用下产生疲劳开裂，最终导致了电机轴的断裂。2、安装问题。如果采用皮带轮传动，皮带张紧力偏大（大于皮带厂家建议值），增大了电机轴的负荷，是电机轴发生断裂的促成因素。采用联轴器安装的电机，如果不能保证电机与设备轴线的同轴度，同样会导致轴疲劳断裂。3、幅板轴断裂。排除安装因素外，幅板轴常会在幅板焊接位置出现不规则裂纹，大多数电机生产厂家通过退火工艺、并在幅板与主轴连接的两端，通过加工应力槽的方式解决该类轴的断轴问题。窜轴无论什么电机在什么时候都不应该窜轴，稍微有一点活动量，对电机本身影响不大，窜动量大到一定程度，就会有电流增加，电机温度升高，机械冲击加大，还可能影响其他设备等具体问题。导致电机窜轴的原因分析1、机械中心与磁场中心不一致。电动机在运行时，其转子将定位于磁场中心，而转子主轴与两轴承间有一个机械中心（即电机转子两端轴肩与轴承间间距相等的位置）。这两个中心可能存在不一致，安装时如果以机械中心为基准来调整轴肩间距，当电机启动后，转子将自动定位于磁场中心，电机轴的轴向窜动，将破坏原安装时调整好的轴向间距。当这个偏差不大时，对于齿轮式联轴器，可以由内外齿轮套的预留轴向间隙补偿；如果超过了联轴器预留轴向间隙时，则联轴器及被传动轴将受到一个轴向外加力，造成部件的端面摩擦，产生发热等有害影响。2、对于滑动轴承电机，转动轴系按联轴器找中心时出现误差。轴在轴承中不对中的偏差会对轴承增加很大的附加力矩，由于电机转子能在一定范围内沿轴向来回游动，轴系中心不正时，联轴器会产生固定方向的轴向分力，使转子在轴向分力的作用下克服磁场力向一侧推动，导致电机转子挡油肩胛与轴承外侧巴氏合金发生动静摩擦。3、电机转子两端的扬度不符合要求。电机转子两端轴颈扬度不合理，会引起电机转子在自身重力轴向分力的作用下克服磁场力向扬度小的一端滑动。因此，电机轴两端扬度合理是消除轴向分力的关键。转子由于自重作用存在静挠度，这就表现为转子水平放置时两端或者说轴颈会向上扬起。用精密水平仪测得的这个扬起值习惯上叫转子扬度。鉴于电机窜轴的各种原因，在电机设计、制造和安装过程中应规避问题，在实际过程中通过一些必要的手段抑制和预防问题的发生也很关键。● 轴与转子的配合选择过盈配合。如果因配合问题出现窜动，大多数是由于轴的加工尺寸出现问题，因为转子轴孔内径由冲模决定，理论上不会出现太大问题。●轴承两端的波形弹垫没有安装，或波形弹垫质量存在问题。有的电机使用工况，对轴的窜动量要求相对严格，电机制造厂家通过增加波形弹垫的方式解决问题，也有的厂家对于采用密封轴承的小电机在端盖上增加了止动挡圈。●风扇产生的轴向力，即电机运行时风对风扇叶的轴向力，但由此导致的窜动量非常小。●轴承与端盖配合选择不合适，或是由于加工质量问题导致两者配合出现较大的间隙。

  电机轴的加工涉及的关键尺寸要素多，如轴伸、轴承位和铁芯位等部位与配合、安装相关的尺寸，关系到基准唯一性的中心孔，任何一项不合格或未达到设计预期，都将是极大的隐患。为杜绝不合格或偏离设计预期，Ms.参综合各厂家经验，谈谈轴加工问题。 电机轴主要尺寸要素控制轴的精度和粗糙度都比其它零件高，轴与其它零部件的配合也较紧密，加工时必须把握以下要素。 ●工作表面的同轴度。主要工作表面为轴承位（与轴承配合的表面）和轴伸位（与传动轮配合的表面）。如轴伸表面对轴承位表面的径向跳动（偏心）过大，在电机运行中将产生振动和噪音，此外，装转子铁心、集电环、换向器和风扇的部位径向跳动过大时，虽然可在转子精车时修正这些部件的外圆，但将造成较多的初始不平衡量，如果转子铁心、集电环、换向器和风扇等是在精加工后装配到轴上，那未，这些部件的径问跳动过大，将大大地影响电机运行的可靠性。 ●配合部位的尺寸精度和圆柱度控制。轴伸位、轴承位和铁心位等尺寸精度和形位精度要准确，否则会出现装配困难，甚至造成零部件损坏、轴承松动或运转不灵活，轴承温升过高等问题。 ●轴的粗糙度控制。配合面的粗糙度不高，容易磨损，配合部位将发生松动。非配合面的粗糙度过低，将降低轴的疲劳强度。 ●轴肩部位的圆角和砂轮越程槽要按照规定尺寸加工。过小的围角半径和过深的砂轮越程槽，将使轴的强度降低；过大的圆角半径将使配合件的端面接触不平稳。砂轮越程槽是防止磨削时砂轮侧面与轴肩碰擦所必需的。越程槽的尺寸按照机械工业标准选用。 ●键槽对基准表面轴心线的对称度不应超差，否则，将造成装配困难。对于热压配合部位的键槽更要符合图纸要求。否则在热压装配时，由于对称度超差，工件装不到应有的位置。而热压装配的工件套上以后是很难拆卸的，往往造成废品。 ●两轴承档间的距离要准确。否则将使转子铁心产生轴向偏移或装配后轴承卡死等问题。 轴的基本加工过程轴的加工过程可分成预备加工和成形加工两个阶段。轴的预备加工包括圆钢调直、毛坯下料、平端面和打中心孔等。预备加工的目的在于提供合格的毛坏，并做出工艺定位基准，以便成形加工。成形加工包括粗车、半精车、精车、磨外圆、铣键槽等。成形加工的目的是将毛坯加工成结构设计的形状和尺寸。 圆钢调直、毛还下料等是在毛坯进入机械加工工序之前进行的，以便于厂内运输和减小机械加工区域的占地面积。平端面、打中心孔和成形加工都在机械加工工序进行，以便组织流水作业。 不同的电机厂家、不同的组织模式，都是因各自的产品特点和厂地特点设定，但万变不离其一，抓住要素简化流程是目前大批量精益生的精髓。

 轴是电机中的一个重要零件，作为电机与设备之间机电能量转换的纽带，支承转动零部件、传递力矩和确定转动零部件对定子的相对位置。因此，电机轴必须具有可靠的强度和刚度，确保预设定设计功能的实现。以下Ms.参简单阐述各类型电机轴及其特点，为电机轴的选取与设计提供参考。 轴的种类及其适用性●按照轴上有无阶梯分类。可分为光轴和阶梯式轴两种。光轴常由冷拉圆钢制成，可以减少加工轴外圆的工时，有时用于微型电机中。阶梯式轴能方便、牢靠地装设许多不同的零部件，因此，大多数电机都采用这种轴。 阶梯式轴中，根据阶梯方向的不同，又可分为单向阶梯轴（阶梯直径从轴的一端向另一端逐级减小）和双向阶梯轴（阶梯直径从轴的中部向两端逐级减小）。 ●按照轴坯制造方式分类。可分成圆钢轴（由热轧圆钢车成的轴）、锻造轴（由锻件制成的轴）和焊接轴（焊有辐向筋条的轴）。 由热轧圆钢车成的轴是中小型电机中最常见的轴。轴的材料常用45优质碳素结构钢。对于小功率电机，有的用Q235普通碳钢。毛坯直径需按轴的最大直径再加上加工余量进行选择。因此，切削量是比较大的。 直径在100毫米以上的轴宜采用锻造轴。经过锻造的钢材，机械强度较高，而且锻出阶梯轴的大致形状，可以节省原材料和切削工时。对于机械强度要求高的大型轴，例如汽轮发电机的轴，常用合金钢锻造。 焊接轴以辐向筋条代替转子支架，可增大转子内腔的通风面积。但焊接筋条时，容易引起轴的变形，焊接后必须经退火处理。在机床上加工时又不连续切削，对刀具不利。由于焊缝存在，轴的疲劳强度显著降低，因而不适用于高速电机。 ●按照轴与铁心结合方式。可分成中部滚花的轴、热套用轴和中部带键槽的轴。滚花轴用于10千瓦以下的小型电机，可省去加工健和键槽的工作。但是在把轴压入铁心时，容易使轴发生变形。在电机运转中，有些滚花结合的转子铁心产生轴向移动的现象。这种轴变形是由铁心与轴的配合过紧造成的，轴向位移是由两者的配合过盈量不足所造成的。   热套轴的中间部分既不滚花，也不带键槽。轴与铁心内孔之间留有一定的过盈量，趁铁心在热态时套入转轴。只要过盈量选择适当，转子铁心与轴的结合是非常可靠的。 中部带键槽的轴又可分成带一段健槽与带两段键槽，带一段键槽的轴用于小型电机。带两段键槽的轴用于中大型电机。转子铁心（或支架）与轴是用键结合的。铁心的轴向固定，一端增用凸肩，另一端用弧形键卡在轴上的环形键槽内。这种轴能传递较大的力矩，常用于功率较大的电机以及运行中要频繁正反转或转子铁心不宜热套的电机。 ●按照轴伸形状分类。可分成圆柱形轴伸轴、圆锥形轴伸轴和轴伸带半联轴器的轴。圆柱形轴伸加工方便，在电机中用得最多。圆维形轴辅伸着有紧固螺栓，加工量较大。但所配装的传动轮装卸方便，多用于特种电机。带半联轴器的轴主要用于水轮发电机和大型直流电机上。 ●按照轴心形状分类。可分成实心轴、一端带深孔的轴和有中心通孔的轴。实心轴在电机中用得最普遍。一端带深孔的轴主要用于绕线式异步电动机，以便将转子上的引出线通过孔内与端盖外的集电环相接。有中心通孔的轴主要用于大型电机：在双水内冷的汽轮发电机中，中心通孔还作为冷却水路的一部分。 ●按照轴导磁性分类。可分成导磁轴与非导磁轴。导磁轴主要用于汽轮发电机中。其它电机的轴通常不需要导磁。 ●其它分类方法。按照轴伸的数目的不同，可分成单轴伸轴和双轴伸轴；按照轴承数目的不同，可分成单轴承轴、双轴承输和多轴承轴。

   发动机用曲轴、凸轮轴和缸套等轴类部件在加工的每个工序均会使用到卡盘，在加工中卡盘具有定心、夹持和驱动工件的作用。根据卡盘夹持工件维持中心的能力，分为刚性卡盘和浮动卡盘。本文主要探讨这两种卡盘的选用原则和日常维护要点。   一 两种卡盘结构调整 刚性卡盘与浮动卡盘在结构、调整方式上存在很大差别，以日本某品牌系列卡盘为例，图1所示为浮动卡盘动作过程：工件在定位支撑块和顶尖的作用下，进行轴向和径向定位夹紧，然后卡盘油缸通过拉杆，带动卡盘中心拉杆、间隙调整板、卡爪臂支撑盘、球形关节和卡爪臂动作，最终实现卡盘卡爪夹紧工件。   当出现卡盘3个卡爪组成的中心与工件中心同轴度偏差大时，先与工件接触的卡盘卡爪会受力F2，通过卡爪臂、球形关节传递给卡爪臂支撑盘，F3作用在卡爪臂支撑盘上，对于浮动卡盘，卡盘中心拉杆与卡爪臂支撑盘之间存在间隙，卡爪臂支撑盘在力F3的作用下，利用浮动间隙（间隙调整板、卡盘中心拉杆和卡爪臂支撑盘共同组成了卡盘的浮动机构），会向着力的方向运动，直至3个卡爪完全夹紧工件。   二 两种卡盘的维护要点 根据以上结构分析，在卡盘的调整和维护上建议遵循以下原则：卡盘内部活动部件的润滑和油脂类定期更换。卡盘内部活动部件间运动基本是滑动摩擦，需要根据卡盘维护要求，加入和定期更换指定牌号的润滑油/脂。加入润滑脂时，需要把前期使用过的润滑脂全部挤出，卡盘夹紧后再封堵排油口，防止卡盘内部腔体憋压。   刚性卡盘夹紧中心与工件中心定期检查和调整：刚性卡盘需要定期测量卡盘中心与工件主轴中心是否一致，夹紧样件后，在样件靠近卡盘时架百分表，旋转卡盘测量跳动，如果超出要求范围，在高点对应的一个或者两个卡爪处适当增加垫片，重复以上步骤，直至达到要求。   浮动卡盘浮动量的定期检查（见图6）。在日常的卡盘维护中，需要定期测量浮动卡盘浮动量和浮动精度，为后期卡盘的内部维护作出指导意见，浮动精度的测量方法：卡盘夹紧样件后，把需要测量的卡爪旋转到便于测量位置，架测量百分表（需要把磁力表座吸附到移动轴上），标记好测量点，作为零点位置。然后控制伺服轴移开百分表，打开卡盘，在需要测量的卡爪和样件之间，放置厚度是Amm的垫片，卡盘夹紧样件，移动百分表到所调零点的位置，确认百分表压紧的数据是否为Amm左右，如果是，说明浮动精度良好，如果数据差别大，说明卡盘浮动机构存在问题，其他卡爪测量同上。  卡盘内部密封件、垫片和弹簧等部件的定期更换：矩形弹簧、卡盘本体、卡盘后端盖、矩形弹簧和球形支撑中的密封和弹簧，需要根据使用频次和上述检测结果，进行定期更换，否则会因为疲劳损坏，导致浮动量和刚性卡盘跳动。   三 总结 通过以上对卡盘结构调整和维护要点的分析，在卡盘选型方面注意以下原则：如果被加工部件的卡盘夹持部位为毛坯面，优先选择浮动卡盘，而刚性卡盘应用在被加工部件的卡盘夹持面为粗、半精/精加工后的面。遵循以上基本规律后，具体还要配合不同工况进行精准选择。   刚性卡盘的选择：①加工工况的切削量大，切削力大，被加工工件夹持、中心架支撑后，需要较强的工件刚性和较大的工件旋转驱动力的情况。②无顶尖等一次性定心机构，需要卡盘定心的设计时。   浮动卡盘选择：①对工件主轴的定心要求高，卡盘夹持后利用自身的浮动不打乱工件主轴的一次定心。②切削量不大，仅需要驱动工件主轴旋转和增加工件刚性的情况。   以上说明了浮动和刚性卡盘的结构区别、维护和选型要求，对于卡盘相关的使用和维护有一定帮助。如果需要更深层次的理解和灵活运用，需要不断地在现场使用和维护中总结经验。

 通过对发动机轴类零件旋转工作表面的振纹分析与测量相关知识的介绍，有效帮助产品设计人员、工艺与质量管理人员对旋转表面振纹分析与测量的正确理解，希望在生产过程、质量控制、产品验收和噪声分析中积极应用振纹分析技术，对提高发动机轴类零件的表面质量、降低发动机噪音有一定的现实意义。  01引 言  随着我国汽车行业的高速发展，汽车市场的竞争越来愈激烈，各大汽车企业为了满足不同用户的需求，都在努力提高自己的产品质量，如近年来越来越多的用户开始关注发动机的噪声。汽车企业为了降低发动机的噪声，除了在整车上对发动机采取隔振降噪的措施外，开始重视降低发动机关键零部件在发动机工作时可能产生的噪声，如改善这些关键零部件的设计、提高零件的表面状态、增加振纹分析要求等措施，来减少发动机工作时的震动，降低发动机运转过程中的噪音，满足用户要求。    02振纹分析问题的提出   实验和理论分析都表明，发动机的回转轴类零件——凸轮轴和曲轴工作表面的周期性波动形状，是发动机噪声的主要来源之一。目前学术上把这种一定频率范围的周期性波动形状，称之为振纹（Chatter）。顺应汽车行业发展的需要，世界著名的检测设备供应商纷纷开始研究凸轮轴、曲轴工作表面上这些周期性波动形状的测量与评价方法，并推出了振纹分析软件，为分析和评价振纹提供了量化的指标和直观的频谱，使用户可以一目了然地看到振纹的大小和发生的频率，据此控制凸轮轴和曲轴工作表面质量，并找出加工过程中造成振纹的原因。 由于振纹分析软件推出时间不长，多数用户对此经验不多或在理论上不够了解，还广泛存在着对于振纹分析软件的困惑、对振纹频谱的疑惑。为了帮助大家更好地了解、使用和推广振纹分析软件，从而更好地为提升发动机的性能和质量服务，结合近年来在公司凸轮轴和曲轴系列产品振纹测量与分析中的经验为大家做个振纹分析与测量基础知识介绍。  03 振纹研究的起源和发展历史  对于振纹的研究，基本起源于发动机的噪声，人们认为发动机的运动部件尤其是回转轴类零件——凸轮轴和曲轴的表面形状是噪声的主要来源。最初发动机制造厂家在产生噪声的凸轮轴和曲轴表面看到了棱面痕迹，称之为振纹，那时还只停留在目测阶段。上个世纪九十年代，一些国际著名的凸轮轴检测设备供应商提出了“潜在噪声——APN（单只凸轮的潜在噪声）和TAPN（整只凸轮轴的潜在噪声）”这两个参数，来评价凸轮（轴）的噪声水平。   众所周知，噪声来源于振动，或者说噪声本身就是振动，而描述振动最主要的两个参数就是振幅和频率（当然还有各种频率的振动叠加时的时间关系——相位）。潜在噪声确实可以反映凸轮（轴）的噪声水平，但缺点是，不能明确指出其具体的振幅和频率，因而对分析乃至消除噪声帮助不大。 随后一些凸轮轴曲轴检测仪器公司如ADCOLE等，推出了振纹分析软件，使得用户可以清楚直观地看到各个频率振动的幅度，用以判别工件是否超出振纹公差，并能找出幅度大的或异常的振动，分析其产生的原因从而减小乃至消除之。而在发动机行业，振纹一词也被专门用来定义或描述引起振动／噪声的周期性波动的表面形状。通过与一些汽车制造企业合作，取得了大量的实验数据，证明了振纹分析软件的可靠性和稳定性，同时也为如何确定公差提供了指导性经验。     04检测方案的优化  振纹分析软件所使用的数学工具，是在信号分析中被广泛应用的傅立叶变换。傅里叶变换简单通俗理解，就是把看似杂乱无章的信号，考虑成由一定振幅、频率、相位的基本正弦（余弦）信号组合而成，傅里叶变换的目的，就是找出这些基本正弦（余弦）信号中振幅较大（能量较高）信号对应的频率，从而找出杂乱无章的信号中的主要振动频率特点。由于凸轮轴、曲轴为回转工件，其径向（周向）形状如凸轮的型线和曲轴的圆度，就成为振纹分析的信号来源，对其进行傅立叶变换，即可得到组合信号／波动的谱线。  有许多用户觉得傅立叶变换太过高深，不容易理解，其实它只是从不同角度看问题，即把时域的问题拿到频域来分析。可以把它当成一个工具来看待，比如光学中的三棱镜，当白光通过它时，会分解为依次排列的红橙黄绿蓝青紫等不同颜色的可见光，以及不可见的红外线和紫外线。同一种物质，在三棱镜的一侧看到的是混叠的白光，在另一侧看到的却是分离出来的各个单色光，而描述和分析单色光则容易得多，这就是从不同角度看问题带来的好处。如果再测量出不同颜色的光的强度，就可以画一张“完整的”频／光谱，横坐标是频率／颜色，纵坐标是强度，这样就可以很清楚地看出白光中各单色光的成份。众所周知，不同颜色的光是因为各自不同的频率造成的，因此，光谱也是频谱。在振纹分析中使用傅立叶变换，则是综合了三棱镜和光强计的功能，经过变换后，形状曲线中各组成成份的频率和幅度如光谱，一般直观地显示出来，非常便于处理和应用。    05振纹分析范围与测量 一般来说，从波长／频率上来分，零件表面形貌大致分为三个层次：轮廓、波纹度和粗糙度。而振纹基本属于波纹度区域，当然与轮廓和粗糙度也有所交叉。过于关注波纹度区域，可能会漏掉轮廓区域和粗糙度区域的异常波动，这种情况已经实际发生过，因此，还是建议用户从低频（1～2UPR）开始计算到较高频（300～500UPR）。目前ISO标准定义了圆度分析点数为3600点，因此凸轮轴、曲轴综合检测仪采样点数均为3600点，计算振纹可以到700UPR左右。原来的360点和1440点的圆度测量仪器，可以通过软硬件升级，提升到3600点。  在凸轮轴曲轴综合测量仪器上测量振纹，不需要增加太多的调整，只需要在现有的程序中加入几个与振纹相关（设置算法、公差，计算及输出数据报告和频谱）的指令或模块即可，对原测量过程几乎毫无影响。目前几款著名的振纹分析软件，既可以用标准方法（傅立叶变换）评定，也可以去除轮廓部分后评定，从而更加突出振纹部分。既可以全周计算振纹，也可以指定区域（如凸轮的桃尖段、过渡段和基圆段等）计算振纹。数据报告部分可以输出不同频率段的最大振幅值，频谱可以输出如1所示柱状，也可以输出连续曲线。        1 凸轮振纹柱形        2柱状中，横坐标为频率（单位UPR），纵坐标为幅值（单位0.1μm）。这是一个典型的波纹度区间，频率从40UPR～300UPR，分为4段。灰色方框是公差带，使用不同颜色来表示8个凸轮；从2柱状中看到有两处超差（分别在35～65UPR段和65～84UPR段）。从3的数值报告中，看到了同样的超差项，二者是统一的，只不过一个是像化，一个是数字化。      2 轴颈振纹柱状        3 轴颈振纹数据报告   公差限可以是区域型的，也可以是曲线型的，4为区域型的公差限，5为曲线型的公差限。一般凸轮振纹公差采用区域型的公差限，轴颈振纹公差采用曲线型的公差限。      4 区域型的公差限   在4所示的公差限中，横坐标为频率（单位UPR），纵坐标为振幅值（单位0.25μm）。这是一个典型的波纹度区间，频率在40UPR～50UPR区域范围内，各个凸轮最大振幅值不能超过公差限1μm；频率在50UPR～100UPR区域范围内，各个凸轮最大振幅值不能超过公差限0.25μm；频率在100UPR～350UPR区域范围内，各个凸轮最大振幅值不能超过公差限0.15μm。区域型公差限，一般由测量工程师通过大量的振纹分析频谱，结合台架试验结果得到，如4所示的黑色粗线为各频率区域的公差限，是由试验得到的，使用不同颜色来表示8个凸轮，各个凸轮的振纹幅值在黑色粗线以内，则表明该凸轮表面振纹合格，不会产生噪声。  在5所示的公差限中，横坐标为频率（单位UPR），纵坐标为振幅值（单位0.25μm）。此公差限由一个振幅值为频率的指数函数定义，用指数公式表示，一般由产品设计人员在产品中给出，测量工程师需要在检测设备上设置定义该曲线型的公差限，如5所示的黑色粗线为公差限，所有轴颈的振纹幅值在黑色粗线以内，则表明该曲轴表面振纹合格，不会产生噪声。      5 曲线型的公差限   06 振纹分析与测量注意事项  6.1 振纹公差的确定   由于每款发动机的结构不同，各自凸轮轴、曲轴的加工工艺不同，引发噪声的情况也不同，因此振纹公差的设定也不能一概而论。目前的建议是，通过实验获得公差，即通过检测仪器测量，选出一批或若干批振纹较大和较小的凸轮轴、曲轴做台架实验，通过实验判定哪个级别的振纹产生噪声，而哪个级别的振纹不产生噪声，在两者之间划一条控制线，即为公差。   6.2 测量结果的一致性   由于不同检测仪器的结构有所区别，如型号不同、夹具和测头种类不同，从而导致仪器（尤其是测头部分）和工件的共振点不同，以及测头对于工件的摩擦引起的振动噪声不同，再加上环境噪声和电器噪声，不同仪器测得的振纹结果在个别频率上可能略有差别。   07 测量振纹对产品、工艺及生产的指导意义  测量振纹，首先可以判定工件是否超差，从而控制加工质量。其实，测量振纹更大的意义在于指导生产，找出振纹产生的根源并加以解决。通过振纹频谱找出振幅较大或异常振动所发生的频率点（UPR为单位），再根据加工机床各运动部件和工件之间的速比，可以很容易地找到产生振动的部位和原因，如夹具、支撑架、传动轴、轴承、砂轮等，然后加以解决。如在2009年凸轮轴L3线JUNKER凸轮轴磨床验收过程中，通过振纹分析发现了该磨床所使用砂轮的问题，从而及时处理，保证了设备验收进度、预批量生产进度及产品质量。  振纹分析方法目前已广泛应用于神龙公司的TU/EC/EW/EP/EB等全系列凸轮轴产品，和曲轴产品的生产过程控制、产品审核和验收中，对提高神龙公司凸轮轴、曲轴产品的符合性质量、整车用户质量，有很强的现实意义和指导作用。   08 结束语  发动机轴类零件振纹分析方法已经开始在各大企业广泛使用，为了帮助大家理解和应用回转体零件振纹分析报告，降低发动机噪声，特将个人对凸轮轴、曲轴振纹分析中的一些经验和理解，以及对振纹分析软件及相关知识应用的探索，与各专业人员共同探讨和广泛交流，希望能够推动发动机轴类零件噪声测量与分析技术的发展与进步，从而为降低发动机的噪声贡献一份力量。