核電廠典型電機(jī)軸承失效分析

唐萊智　林森　孟青春

【摘 要】基于核安全要求，核電廠需要多種系統(tǒng)運(yùn)行支持其穩(wěn)定安全運(yùn)行，而這些系統(tǒng)中包括了大量的電機(jī)設(shè)備，通過(guò)對(duì)電機(jī)設(shè)備故障長(zhǎng)期的大數(shù)據(jù)歸納可以看出，電機(jī)設(shè)備的損害很大一部分是其轉(zhuǎn)動(dòng)要件——軸承的失效造成。本文通過(guò)對(duì)一些典型的軸承失效案例進(jìn)行剖析，找出軸承失效的原因，為保證此類(lèi)部件的保養(yǎng)維護(hù)以及電機(jī)設(shè)備的長(zhǎng)久穩(wěn)定工作提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】電機(jī)；軸承；振動(dòng)

1 軸承失效說(shuō)明

1.1 軸承失效原因

根據(jù)最新的軸承壽命理論可知，只要軸承在特殊的工作條件地，當(dāng)軸承的滾動(dòng)面（滾動(dòng)體及滾道）之間有一層限制污染物且能有效地分隔的油膜時(shí)，在理想狀況下，就能避免軸承的表面破壞，以達(dá)到良好的運(yùn)行狀態(tài)，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。但在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)軸承失效的問(wèn)題，軸承損壞的原因有：超負(fù)荷運(yùn)行；裝配配合過(guò)緊造成軸承間隙減??；軸承室密封不嚴(yán)混入污染物；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡衍生的振動(dòng)等。不管何種因素造成軸承失效都會(huì)在軸承的上呈現(xiàn)與之相對(duì)應(yīng)的損壞痕跡。找出這些軸承損壞的痕跡便可反推出失效的原因，再采取相應(yīng)的對(duì)策。

1.2 軸承失效發(fā)展過(guò)程

軸承開(kāi)始失效的表現(xiàn)是會(huì)出現(xiàn)材料疲勞現(xiàn)象，當(dāng)軸承生產(chǎn)出廠到出現(xiàn)第一個(gè)材料疲勞的時(shí)間長(zhǎng)短與軸承的存放、軸承使用工況的轉(zhuǎn)數(shù)、負(fù)荷大小、潤(rùn)滑品質(zhì)有關(guān)。在負(fù)載表面下出現(xiàn)的周期性剪應(yīng)力會(huì)造成疲勞，再運(yùn)行一定時(shí)間后，這些剪應(yīng)力就會(huì)發(fā)展成一些細(xì)微的裂損然后延伸到軸承的材料表面。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體會(huì)擦過(guò)這些裂痕，裂痕附近就會(huì)出現(xiàn)材料脫落。雖然最開(kāi)始這種脫落情況很輕微，但隨著應(yīng)力和裂痕材料增加，會(huì)導(dǎo)致材料脫落面積不斷增加，達(dá)到在一定程度后缺陷就會(huì)在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的振動(dòng)和噪音方面表現(xiàn)出來(lái)，最終導(dǎo)致軸承失效不可用。

2 核電廠某電機(jī)軸承典型失效案例分析

其中核電廠的電機(jī)設(shè)備軸承失效大體上來(lái)說(shuō)有30%屬于疲勞損傷，40%屬于潤(rùn)滑不良，30%屬于軸承被染或裝配不當(dāng)。下面就0SEP601MO故障案例分析其軸承失效原因。

2.1 故障描述

2013年5月8日，淡水廠0SEP601MO電動(dòng)機(jī)故障跳閘，同時(shí)上一級(jí)電源柜0SEP401AR跳閘，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)卡澀無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行解體檢查處理，檢查其損壞情況如下：

在靠近非驅(qū)動(dòng)端端部電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子有掃膛現(xiàn)象，鐵芯有損傷，定子磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)繞組絕緣被破壞，造成定子繞組接地故障。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承嚴(yán)重?fù)p毀，軸承卡澀無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承的保持架?chē)?yán)重變形，軸承里滾子與軸承內(nèi)圈完全咬死，無(wú)法取出，且軸承的外圈與滾子間有明顯的磨損。軸承內(nèi)的油脂已有炭化現(xiàn)象，在軸承腔室內(nèi)產(chǎn)生大量的黑色結(jié)塊。

2.2 故障分析

通過(guò) 0SEP601MO出現(xiàn)的以上故障現(xiàn)象，對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端軸承6319損壞列出如下故障模式：

1）0SEP601MO為變頻電機(jī)，根據(jù)用水負(fù)荷運(yùn)行轉(zhuǎn)速不是恒定值，0SEP601MO電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承設(shè)計(jì)要求的型號(hào)為6319型（銘牌要求），查檢修記錄發(fā)現(xiàn)，在2012年對(duì)電機(jī)進(jìn)行解體時(shí)，更換過(guò)軸承，由于當(dāng)時(shí)需向工程現(xiàn)場(chǎng)緊急供水，而備件只有6319/C3型軸承，所用軸承并非游隙正常，而是C3。選裝了錯(cuò)誤規(guī)格軸承。

滾動(dòng)軸承內(nèi)部游隙的大小直接關(guān)系到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的溫振、噪音以及使用壽命等。0SEP601MO的使用載荷P/Cr在0.1以下，無(wú)須選用游隙為C3的軸承，其保持架的耐溫而磨性能不適用。因此，SEP電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端的軸承規(guī)格選型錯(cuò)誤使其使用壽命大大降低。

2）對(duì)于軸承的安裝，采用基軸制過(guò)盈配合，軸承安裝的過(guò)盈量直接影響游隙的減小量。如果軸承和軸的配合過(guò)盈量不足，會(huì)在配合面之間發(fā)生所謂蠕變滑動(dòng)，隨著軸承運(yùn)行期間的磨損或溫度的升高，發(fā)生蠕變的配合面產(chǎn)生間隙以至出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，其結(jié)果會(huì)由于磨損導(dǎo)致軸承和軸的損壞。但如果軸承與軸的配合過(guò)盈量過(guò)大，則會(huì)使軸承原有配合間隙（游隙）變小，精度降低。當(dāng)軸承在承受載荷旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承套圈上的應(yīng)力增大，軸承摩擦發(fā)熱情況會(huì)較為嚴(yán)重，由于外界或內(nèi)在因素的影響，如溫升引起的膨脹量、瞬時(shí)過(guò)載等，會(huì)引發(fā)軸承出現(xiàn)“咬死”現(xiàn)象（游隙變化失效）。因此，保證軸承與軸的配合在標(biāo)準(zhǔn)范圍是非常重要的。

從故障的結(jié)果看，軸承內(nèi)圈與軸產(chǎn)生了嚴(yán)重的滑動(dòng)磨損，并且過(guò)熱溫度很高（故障后的最高溫度超過(guò)1600℃），軸承保持架損壞的特征是在原始位置過(guò)熱變形，未有斷裂或脫落跡象。因此，從軸承運(yùn)行時(shí)間和軸徑磨損以及保持架損壞特征來(lái)看，懷疑軸承配合的過(guò)盈量不足。

3）軸承潤(rùn)滑不足，從解體情況來(lái)看，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)長(zhǎng)期處于缺油狀態(tài)，軸承形成粘著磨損，軸承表面的狀態(tài)惡化。根據(jù)保養(yǎng)規(guī)程和銘牌信息驅(qū)動(dòng)端軸承潤(rùn)滑周期為2500h，而電機(jī)安裝調(diào)試完成后還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)潤(rùn)滑加油處理。

4）聯(lián)軸器不對(duì)中

兩軸對(duì)中偏心會(huì)造成附加的彎矩，而在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，這個(gè)彎矩的方向也隨之發(fā)生周期性變化。在解體電機(jī)前，對(duì)聯(lián)軸器的對(duì)中情況進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)有一定的偏心最大值達(dá)到0.19mm，而轉(zhuǎn)速不到3000r/min的設(shè)備要求對(duì)中偏差不大于0.1mm，有嚴(yán)重偏心的現(xiàn)象。而不對(duì)中在嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使軸承的油膜壓力偏離正常值，進(jìn)而加大軸承的振動(dòng)值。

5）異物污染

由于當(dāng)時(shí)處于工程建設(shè)高峰時(shí)期，塵土污染比較嚴(yán)重，從電機(jī)外殼的污染程度可以看出，電機(jī)所處的工作環(huán)境不理想，易造成塵土顆粒進(jìn)入軸承室里，不能排入有異物進(jìn)入的可能性。

3 軸承失效結(jié)論

電動(dòng)機(jī)在之前解體時(shí)使用了不符要求型號(hào)的軸承，導(dǎo)致軸承承受載荷旋轉(zhuǎn)運(yùn)行初期間隙過(guò)大，滾動(dòng)體與內(nèi)外圈產(chǎn)生碰撞。也導(dǎo)致軸承套圈上的應(yīng)力增大，以致軸承在工作面上形成早期的異常磨損，即使在運(yùn)行初期潤(rùn)滑脂比較充分，軸承仍可能運(yùn)行在一個(gè)相對(duì)較高的溫度。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，因?yàn)闇囟鹊纳?，軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂性能也會(huì)快速下降，從而長(zhǎng)期磨損軸承表面，降低了軸承的疲勞壽命。溫度升高造成內(nèi)圈膨脹導(dǎo)致軸承與軸之間出現(xiàn)滑動(dòng)，內(nèi)圈與軸發(fā)生滑動(dòng)磨損，以致軸承內(nèi)部溫度急劇升高，滾子出現(xiàn)咬死甚至部分脫落，保持架也開(kāi)始變形，軸承內(nèi)套與軸這種面與面的摩擦所產(chǎn)生的熱量更大，使得內(nèi)圈上兩個(gè)滾動(dòng)體之間的部位因散熱差而導(dǎo)致局部熔化。并且由于軸承與軸繼續(xù)相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的異常磨損和高溫將軸承內(nèi)圈內(nèi)表面和軸頸磨損成環(huán)狀槽溝。

軸承與軸徑出現(xiàn)嚴(yán)重磨損后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)動(dòng)不平衡，隨故障的發(fā)展最終形成轉(zhuǎn)子掃膛。掃膛破壞該處繞組的絕緣，從而造成了定子繞組的接地短路故障。隨后保護(hù)動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)的電源開(kāi)關(guān)跳閘。

4 后續(xù)電機(jī)軸承關(guān)注問(wèn)題

4.1 加強(qiáng)電機(jī)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在對(duì)電機(jī)的日常巡檢中，除了測(cè)量其振動(dòng)值是否超標(biāo)外，還要加強(qiáng)軸承溫度的測(cè)量。當(dāng)出現(xiàn)溫振值異常升高的情況時(shí)，要進(jìn)行電機(jī)參數(shù)的全面測(cè)量，包括電氣和機(jī)械參數(shù)，如振動(dòng)、溫度、分貝值、電壓、電流，振動(dòng)方面盡可能進(jìn)行頻譜分析。提早發(fā)現(xiàn)異常，以防軸承失效情況蔓延。

4.2 優(yōu)化添加油脂周期

電機(jī)銘牌雖然標(biāo)示的是2500小時(shí)的加油周期，但根據(jù)SKF軸承保養(yǎng)手冊(cè)給出的潤(rùn)滑壽命期限是，6319軸承的潤(rùn)滑周期在正常負(fù)荷的工況下是1200小時(shí)。除了正常添加油脂外，還要注意排掉軸承腔室內(nèi)的廢油，避免油脂過(guò)多造成軸承滾動(dòng)面之間的擠壓。

總之，要延長(zhǎng)滾動(dòng)軸承的使用壽命，不僅要靠軸承生產(chǎn)的高質(zhì)量，還要靠正確地裝配，合理地使用以及精心的維護(hù)。盡量避免因人為的或外界因素給軸承帶來(lái)?yè)p害。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊瑞.交流感應(yīng)異步電機(jī)振動(dòng)故障診斷新技術(shù)[J].中國(guó)設(shè)備工程，2005（5）.

[2]SKF.軸承保養(yǎng)手冊(cè)，2006（2）.

[責(zé)任編輯：王偉平]