高壓電機滾動軸承失效分析與改進(jìn)

庾應(yīng)文

摘 要：本文結(jié)合水廠高壓電機滾動軸承失效實例，從理論與實踐角度闡述了滾動軸承失效的分析與處理，對實踐有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：滾動軸承；失效分析；軸電流

高壓電機滾動軸承在使用過程中不可避免的因自身質(zhì)量和外部條件的作用等原因?qū)е缕湫阅芟陆祷蚬收习l(fā)生、甚至失效。軸承一旦發(fā)生故障或失效，就會引起停機或事故，就需要在短期內(nèi)查出軸承失效的原因，提出對策。為此結(jié)合水廠高壓電機滾動軸承幾起失效實例，對高壓電機滾動軸承失效的原因及處理措施進(jìn)行分析，對提高設(shè)備的搶修速度和質(zhì)量，減少設(shè)備檢修維護(hù)費用有一定作用。

1 高壓電機滾動軸承失效事例

東莞某水廠配水泵房有4臺配水泵機組，其中兩臺為定速機組其所配電機型號為YSK800-8，另外兩臺為調(diào)速機組其所配電機型號為YPT800-8，額定功率都為2000kW，額定電壓為10kV，電機前端為圓柱滾子軸承NU248+深溝球軸承6048，電機后端為圓柱滾子軸承NU248。機組2008年底開始投入使用，但在投入使用后不久，逐漸發(fā)生了電機滾動軸承失效事例。

2010年10月26日4#調(diào)速電機非聯(lián)軸器端軸承有異聲，停機檢查，維修人員拆解發(fā)現(xiàn)：軸承內(nèi)圈點蝕，圓柱滾子有磨損。判斷為潤滑不良，進(jìn)行軸承更換處理。

2011年6月2日6#定速電機聯(lián)軸器端軸承，振動速度超標(biāo)達(dá)到28—30mm/s，停機檢修，發(fā)現(xiàn)圓柱滾子軸承內(nèi)圈和滾柱嚴(yán)重磨損，深溝球軸承滾子磨損、保持架卡阻失效。排除了機組對中、地腳螺栓松動以及潤滑油不足等原因，懷疑軸承安裝不到位，但沒有足夠依據(jù)支持這個判斷，因為沒有軸承安裝時的記錄，最終對軸承進(jìn)行了更換處理。

2012年1月2日晚，4#調(diào)速電機聯(lián)軸器端軸承冒煙，緊急停機，拆卸檢查發(fā)現(xiàn)：圓柱滾子軸承內(nèi)圈與電機軸燒結(jié)融合。組織了維修技術(shù)人員對電機軸承的燒毀進(jìn)行了分析，但對最終引起軸承失效的真正原因沒有定論。

短期內(nèi)電機多次出現(xiàn)前后端軸承故障，按照一般情況軸承壽命不會這么短，對于這種不正常的軸承失效現(xiàn)象需要深入研究和分析。

2 軸承失效原因查找與分析

引起滾動軸承失效的因素很多，例如軸承材質(zhì)、制造缺陷，選型、安裝不當(dāng)，潤滑不良，振動引起軸承磨損等，在分析軸承失效原因的過程中，往往會碰到很多錯綜復(fù)雜的現(xiàn)象，從這些現(xiàn)象中獲取的信息可能存在相互沖突或者主次不清，分析起來不易判斷，這需要經(jīng)過反復(fù)驗證，以獲得足夠的證據(jù)或反證，因此需對失效軸承的信息進(jìn)行收集，然后再分析失效原因。

2.1 對失效軸承的實物和背景資料進(jìn)行收集

失效軸承的有關(guān)實物和資料是進(jìn)行軸承失效分析的重要依據(jù)，資料收集越多，越有利于查找軸承失效的原因，因而收集的資料應(yīng)盡可能全面，這些資料主要包括：

①失效軸承的實體、殘片，形貌特征圖片，這些是進(jìn)行失效軸承表征分析的最直接資料；

②失效時是否有溫度的急劇增加或冒煙，是否有噪聲及振動，地腳螺栓是否松動，軸對中情況如何；

③軸承的潤滑情況，包括潤滑劑的牌號、成分、顏色、粘度、雜質(zhì)含量、補充或更換情況等，并收集其沉淀物；

④安裝記錄，在安裝軸承前，軸承與軸和軸承座的配合檢查記錄，軸對中檢查記錄；

⑤拆卸記錄，軸承與軸和軸承座的配合，軸承軸向緊固零件的松緊程度；

⑥軸承的密封情況，是否可能有水和其他雜質(zhì)污染源進(jìn)入；

⑦軸承的運轉(zhuǎn)記錄，軸承的旋轉(zhuǎn)音、振動、溫度，以及其變化趨勢，運轉(zhuǎn)使用過程中有無不正常操作，是否檢查過軸對中，記錄如何；

⑧同批或同類軸承的失效情況。

根據(jù)這些要求對失效軸承進(jìn)行了資料收集，根據(jù)收集的信息，這些失效軸承出現(xiàn)過以下特征：異常聲音、振動超標(biāo)、軸承內(nèi)圈凹坑，圓柱滾子有磨損、圓柱滾子軸承內(nèi)圈與電機軸燒結(jié)融合。

在收集的過程中，也發(fā)現(xiàn)了部分資料缺失，主要是安裝記錄、潤滑情況、拆卸記錄等，這給軸承的失效分析帶來了一定影響?？紤]到軸承失效的根源還沒找到，軸承失效的情況還會發(fā)生，為了完善資料的收集，要求檢修維護(hù)人員在軸承安裝、運行、拆卸前、拆卸中、拆卸后必須根據(jù)這些要求記錄有關(guān)信息。

2.2 對失效軸承進(jìn)行分析

根據(jù)收集到的軸承失效特征可以初步判斷軸承可能存在以下一些失效形式：

①點蝕，由于潤滑不良，在滾動接觸應(yīng)力的循環(huán)作用下，形成應(yīng)力集中，使?jié)L動接觸面產(chǎn)生微觀裂紋，并逐漸發(fā)展成呈分散或群集狀的細(xì)小凹坑；

②磨損，由于細(xì)微顆粒物進(jìn)入軸承或潤滑不良，在滑動摩擦的作用下，滾動接觸面或引導(dǎo)面處金屬表面材料被磨掉，呈磨合狀的淺溝槽，表面光亮；

③燒附，由于預(yù)緊力過大、軸承游隙過小，潤滑不良，軸承高速運轉(zhuǎn)，使?jié)L動體受熱膨脹后接觸表面摩擦產(chǎn)生急劇溫升，出現(xiàn)金屬熔融現(xiàn)象，造成相互接觸的表面上粘附有被遷移的熔融性材料；

④電蝕，由于電流通過軸承時，擊穿油膜，產(chǎn)生高溫，出現(xiàn)金屬熔融現(xiàn)象，使金屬表面局部熔融形成不規(guī)則凹坑或溝蝕，凹坑呈斑點、密集斑點、小凹坑狀，溝蝕呈洗衣板狀。

雖然通過這些分析已把軸承的失效形式收窄到了一定范圍內(nèi)，但因為失效形式和失效過程如此復(fù)雜，這些失效軸承樣品的形貌，或是由于失效程度嚴(yán)重，已經(jīng)把部分的失效形貌掩蓋或改變了，露出來的只是軸承最終咬死、燒壞、破碎的軸承零件的殘骸，或是由于失效程度較輕，表現(xiàn)不出失效的形式和過程，導(dǎo)致了很容易混淆軸承損壞的根本原因，因而還沒有最終定論，為了找出原因，加強軸承各個階段的信息收集，于2012年5月底，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)6#機的電機軸承噪音和振動逐步在擴大，因而對地腳螺栓、軸對中情況、軸承的潤滑情況進(jìn)行了排查，沒有發(fā)現(xiàn)存在問題。為了使失效特征更明顯，這臺機暫時不停下來檢查，采用了一個衡量標(biāo)準(zhǔn)，在軸承振動超過6mm/s后，再進(jìn)行軸承拆解檢查，但在這個過程中進(jìn)行了嚴(yán)格頻密的狀態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)振動、溫度、噪音迅速升高，就必須停機，避免嚴(yán)重事故發(fā)生。2012年7月2日軸承振動超過6mm/s，對6#電機進(jìn)行了停機檢查，發(fā)現(xiàn)電機尾端定子線圈有電暈放電痕跡以及電機前后端軸承內(nèi)圈有明顯搓衣板式電蝕劃痕，如圖1?？梢耘袛酁檩S電流引起電蝕。

3 軸電流產(chǎn)生的原因和形貌特征

當(dāng)轉(zhuǎn)軸兩端之間或軸與軸承之間存在電壓時，這種電壓稱為軸電壓，當(dāng)軸電壓較低時，由于轉(zhuǎn)軸與軸承間有潤滑油膜的存在，起到絕緣的作用，不會產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓增加到一定數(shù)值時，尤其在電動機啟動時，軸承內(nèi)的潤滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜，一旦轉(zhuǎn)軸及機座、殼體之間絕緣層失效，形成通路，就會產(chǎn)生軸電流。一般電機軸壓產(chǎn)生的原因有以下幾種：

①當(dāng)電機運行時，由于定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻等，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，有交變磁通切割轉(zhuǎn)軸，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓；

②逆變供電產(chǎn)生軸電壓；

③靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓；

④外部電源的介入產(chǎn)生軸電壓。

當(dāng)軸電流產(chǎn)生后，電流在軸承上通過，由于滾柱或滾珠在軸承圈的跑道上滾動和輾壓跑道時，在輾壓接觸地方，接觸電阻很小，并將潤滑脂擠向兩側(cè)，當(dāng)滾動體將要離開原位置時，產(chǎn)生小間隙，滾道與滾子之間的接觸面被阻斷，就會產(chǎn)生電弧，并在局部產(chǎn)生高溫，兩邊都會留下蝕點，最終將滾道表面燒成像搓板樣的線條狀凹槽痕跡，當(dāng)滾動體繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，因輾壓使凹槽壓平、壓光，滾道表面會變得光亮，噪音和振動也就隨之出現(xiàn)，如6#電機軸承內(nèi)外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對滾動軸承破壞的共同特征。如果高強度電流發(fā)生大幅度變化，會引起更為嚴(yán)重的損傷，并導(dǎo)致在滾道與滾子或滾珠之間、軸與軸承內(nèi)圈之間發(fā)生金屬熔接，如4#調(diào)速電機聯(lián)軸器端軸承金屬熔接。

4 改進(jìn)措施

為消除軸電流的產(chǎn)生，采用了在非聯(lián)軸器端的軸承座和軸承支架處加絕緣墊圈，并對軸承的固定螺栓進(jìn)行絕緣，以隔斷軸電流的通路。從2012年9月，對6#電機采用這種方法處理后，軸承使用至今運行正常，其余各電機也采用這種處理方法，軸承運行正常，再也沒有出現(xiàn)過故障。為了防范未然，要求檢修運行人員定期檢查軸承座的絕緣強度，在電機每次檢修前后也要檢查軸承座的絕緣強度，保證絕緣不得低于0.5MΩ。

通過對該四臺電機軸承座和軸承支架處加絕緣墊圈的改造，消除了軸電流，至今運行良好，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。