化工高壓電機(jī)滾動(dòng)軸承失效分析與改進(jìn)*

段志宏，叢廣佩，李偉明，言 理

0 前言

軸承的失效分析需要對(duì)軸承有深入全面的了解，又需要對(duì)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)有深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)還要了解電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載情況、工作環(huán)境等[1]。由于內(nèi)圈的曲率半徑小于外圈的曲率半徑，內(nèi)圈需要承載比外圈更多的接觸強(qiáng)度，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中對(duì)滾動(dòng)軸承做的大量實(shí)驗(yàn)，軸承內(nèi)圈故障引起失效約占64%。

1 故障描述

2017年12月7日凌晨5∶50左右，某化工廠(chǎng)加熱爐進(jìn)料泵P102/2電機(jī)側(cè)軸承部位打火花，在準(zhǔn)備切換備用泵時(shí)，對(duì)輪聯(lián)軸器飛出，導(dǎo)致電機(jī)軸承損壞，電機(jī)軸、泵軸彎曲，該進(jìn)料泵型號(hào)為4WTB-143，功率為360 kW，流量為280 m3/h，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，出廠(chǎng)日期是2003年8月。其電機(jī)型號(hào)為YB450M1-2THWF1，功率為450 kW，電壓為6 000 V，額定電流為52.1 A，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，生產(chǎn)時(shí)間是2004年5月。

進(jìn)料泵P102/2自運(yùn)行以來(lái)，軸承振動(dòng)及溫度變化都很平穩(wěn)。2017年12月7日凌晨5∶50左右，操作班組人員巡檢發(fā)現(xiàn)電機(jī)側(cè)軸承部位打火花，同時(shí)變電所過(guò)負(fù)荷動(dòng)作顯示相符。

圖1 電機(jī)軸彎曲、軸承損壞

對(duì)P102/2泵進(jìn)行拆解檢查（圖1、2），發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承損傷嚴(yán)重，保持架完全斷裂散架，電機(jī)軸90°彎曲，對(duì)輪損壞，泵軸彎曲。

為了防止該類(lèi)事故再次發(fā)生，作者對(duì)軸承進(jìn)行了失效分析，并提出安全運(yùn)行措施。

圖2 對(duì)輪損壞，泵軸彎曲

2 工業(yè)電機(jī)常見(jiàn)軸承故障失效原因與分析

對(duì)軸承故障失效分析需對(duì)軸承有深入全面的了解，同時(shí)也需要了解設(shè)備的整體機(jī)構(gòu)，其中有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際作用負(fù)載情況、電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境（包括溫度、潤(rùn)滑、潤(rùn)滑污染情況等）等[3]。故滾動(dòng)軸承失效的原因多種多樣，而從故障的表現(xiàn)形式分析原因，主要可分為下面幾種。

2.1 軸承疲勞導(dǎo)致失效

在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，滾動(dòng)軸承一般在內(nèi)外滾道和滾子表面承受較大的載荷，同時(shí)又發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此軸承會(huì)受到一個(gè)周期性的交變載荷。而工業(yè)電機(jī)又多是長(zhǎng)時(shí)間、滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，交變應(yīng)力則不斷的循環(huán)，當(dāng)交變應(yīng)力達(dá)到一定的數(shù)值后疲勞裂紋就會(huì)產(chǎn)生，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)則會(huì)產(chǎn)生剝落。疲勞剝落是軸承失效的主要形式，當(dāng)軸承發(fā)生疲勞剝落，如不及時(shí)處理，就會(huì)發(fā)生沖擊載荷、造成極大安全事故[4]。

2.2 軸承磨損導(dǎo)致失效

工業(yè)電機(jī)一般使用保持架為內(nèi)圈和外圈引導(dǎo)滾子，而新的軸承滾道和滾動(dòng)體表面都會(huì)有一定的粗糙度，運(yùn)行承載后，滾子會(huì)與內(nèi)外圈產(chǎn)生負(fù)荷軌跡，從而產(chǎn)生磨損。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定范圍時(shí)，保持架的外沿(或者內(nèi)沿)也會(huì)與軸承內(nèi)外圈發(fā)生摩擦，這就會(huì)形成磨銅粉現(xiàn)象[1]。如果滾道和滾子之間產(chǎn)生較硬的顆粒，可能會(huì)引起局部摩擦過(guò)熱，導(dǎo)致局部變形，甚至局部金屬融化，造成軸承報(bào)廢。

2.3 軸承潤(rùn)滑不當(dāng)導(dǎo)致失效

軸承潤(rùn)滑問(wèn)題是電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要一環(huán)，對(duì)軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著極其重要的影響，主要起潤(rùn)滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等作用。潤(rùn)滑劑可保證滾道表面潤(rùn)滑需要的油膜厚度，減小摩擦力、降低軸承的磨損；也作為冷卻劑，確保軸承在合適的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)。如果電機(jī)上的軸承潤(rùn)滑效果不良，導(dǎo)致溫度過(guò)高，就可能發(fā)生燒毀軸承事故[5-6]。

可以看到，無(wú)論哪種原因誘發(fā)的軸承快速失效，最終都是以裂紋、磨損等局部缺陷影響軸承關(guān)鍵零件，如內(nèi)圈、外圈等，最終導(dǎo)致設(shè)備故障失效，因此通過(guò)分析各零件缺陷參數(shù)對(duì)于故障頻率及故障模式的影響，從而直接識(shí)別導(dǎo)致故障失效的關(guān)鍵參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)制定合理的故障管控方案，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。

3 試驗(yàn)分析及其結(jié)果

3.1 軸承壽命實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)源于杭州軸承實(shí)驗(yàn)中心的軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)ABLT-1A。其中電機(jī)旋轉(zhuǎn)范圍1 000～10 000 r/min±2%，能使實(shí)驗(yàn)軸達(dá)到設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速。而加載系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)所需要的徑向或者軸向載荷，其中最大徑向載荷為100 kN±2%；最大軸向載荷為50 kN±2%。潤(rùn)滑系統(tǒng)可以讓實(shí)驗(yàn)軸承充分潤(rùn)滑。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)則實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)溫度和所采集到的振動(dòng)信號(hào)，并控制機(jī)器在發(fā)生溫度或振動(dòng)等異常狀態(tài)下即時(shí)停機(jī)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案與流程

在本實(shí)驗(yàn)中所用到的所有軸承均為單列深溝球軸承6210，其主要的幾項(xiàng)參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)中的主要實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表1 6210軸承的主要參數(shù)

表2 主要實(shí)驗(yàn)條件

本文所做實(shí)驗(yàn)通過(guò)溫度、振動(dòng)傳感器來(lái)采集信號(hào)，所安裝的傳感器的位置，便于更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)軸承的狀態(tài)。其中主要的操作流程如下。

（1）本實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)在軸上裝上4個(gè)軸承，如圖3。

（2）因6210滾動(dòng)軸承為脂潤(rùn)滑，而某石化廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)工況為油潤(rùn)滑，故加熱潤(rùn)滑油浸泡，再用汽油清洗軸承，確保完全去除潤(rùn)滑脂，以達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況。

（3）根據(jù)需要采集的數(shù)據(jù)，依次調(diào)試各傳感器，使各傳感器都達(dá)到最佳狀態(tài)，然后運(yùn)行機(jī)器，打開(kāi)采集系統(tǒng)設(shè)置各采集參數(shù)，開(kāi)始記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（4）定期查看軸承實(shí)驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行狀況，通過(guò)觀(guān)察RMS值、峰值因子和峭度來(lái)判斷軸承的運(yùn)行狀態(tài)。

（5）當(dāng)4個(gè)軸承中任意一個(gè)軸承發(fā)生故障，達(dá)到預(yù)設(shè)的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)機(jī)就會(huì)報(bào)警并自動(dòng)停止，然后拆下檢查軸承的損壞情況。

本次實(shí)驗(yàn)所用到的故障軸承，以保持架與內(nèi)圈為主要故障形式，如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)軸承

圖4 保持架與內(nèi)圈損傷的軸承

3.3 數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)，每組軸承運(yùn)轉(zhuǎn)約24小時(shí)，得到1 400個(gè)數(shù)據(jù)，去除磨合期的異常數(shù)據(jù)后保留1 000個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)的各種故障類(lèi)型采集到的均方根值得到折線(xiàn)圖（截取運(yùn)行平穩(wěn)后的100個(gè)均方根值（ms-2）數(shù)據(jù)）。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～7所示，其中內(nèi)圈在長(zhǎng)×寬×深（8 mm×2 mm×0.5 mm）的缺陷影響下，僅運(yùn)行了五分鐘就超過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警值跳停，拆卸檢查，軸承無(wú)明顯擴(kuò)展，重新安裝運(yùn)行，僅30秒即停機(jī)，重復(fù)二次均為同樣結(jié)果。

由圖5可知，當(dāng)保持架損傷較輕微時(shí)，與正常的振動(dòng)數(shù)據(jù)并沒(méi)有太明顯的區(qū)別；圖6則表明，隨著軸承保持架的損傷變得嚴(yán)重，其振動(dòng)的均方根值也隨之增大；圖7可看出，即使保持架斷裂了，軸承仍然可運(yùn)行一段時(shí)間，而內(nèi)圈輕微損傷的軸承的振動(dòng)值就很明顯了；再結(jié)合內(nèi)圈2處損傷長(zhǎng)×寬×深（8mm×2mm×0.5mm）的振動(dòng)達(dá)到閾值跳停，初步判斷內(nèi)圈損傷達(dá)到一定程度時(shí)，可能導(dǎo)致軸承在短時(shí)間內(nèi)突然損壞。

圖5 正常軸承與1條0.3 mm深裂紋軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)折線(xiàn)圖

圖6 1條0.5 mm深裂紋軸承與4條0.5 mm裂紋軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)折線(xiàn)圖

圖7 保持架4條斷裂軸承與內(nèi)圈2處0.3 mm深磨損軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)折線(xiàn)圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，軸承保持架雖然起到引導(dǎo)并帶動(dòng)滾動(dòng)體在正確的滾道上滾動(dòng)，并將滾動(dòng)體等距離隔開(kāi)的作用，以防止工作時(shí)滾動(dòng)體間互相碰撞和摩擦，但是由于其并沒(méi)有受到徑向力的作用，保持架在沒(méi)有受到嚴(yán)重?fù)p傷或斷裂之前，其振動(dòng)信號(hào)并不會(huì)很明顯，常被其他振動(dòng)信號(hào)所淹沒(méi)，當(dāng)軸承架上的裂紋較深或發(fā)生斷裂后，振動(dòng)信號(hào)會(huì)有明顯的變化，但是仍可平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間，因此，其安全監(jiān)控策略可以制定為運(yùn)行期間需留意機(jī)組的變化情況，隨時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)的情況[7]，在未監(jiān)測(cè)到異常變化的情況下可以待到計(jì)劃停機(jī)時(shí)再進(jìn)行維修。

而對(duì)于內(nèi)圈缺陷，即使輕微磨損也會(huì)引起較大的振動(dòng)信號(hào)，并伴有明顯異常的摩擦噪聲，如果出現(xiàn)這樣的振動(dòng)信號(hào)并伴有異常雜聲，可以判定很大概率會(huì)出現(xiàn)突發(fā)停機(jī)，應(yīng)降低負(fù)荷直到振動(dòng)恢復(fù)正常范圍，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能停機(jī)進(jìn)行檢修，以免引起不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)做好巡查工作，并定期養(yǎng)護(hù)，避免軸承內(nèi)圈受到異物損傷或潤(rùn)滑不良磨損，還需要設(shè)置合理的報(bào)警值，為事故預(yù)留足夠的反應(yīng)與處理時(shí)間。

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