鼓形濾網(wǎng)減速箱軸承故障原因分析

李海秋

（陽江核電有限公司，廣東陽江 529941）

0 引言

鼓形濾網(wǎng)是核電站冷源最重要的海水過濾設(shè)備，多電廠先后多次出現(xiàn)故障，對(duì)比多電廠鼓形濾網(wǎng)減速箱安裝使用情況，分析其設(shè)備的使用差異，從發(fā)生時(shí)間、設(shè)計(jì)型號(hào)、改造等多方面分析，找出故障原因。通過多個(gè)電廠出現(xiàn)的故障類型，對(duì)軸承故障原因進(jìn)行多維度、多角度分析歸類總結(jié)。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

鼓形濾網(wǎng)是核電站冷源最重要的海水過濾設(shè)備，為核電站全廠冷源的重要敏感設(shè)備。因鼓形濾網(wǎng)設(shè)備原因?qū)е聶C(jī)組降功率事件也有發(fā)生，鼓形濾網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)核電站的安全運(yùn)行極其重要，對(duì)核安全起到至關(guān)重要的作用。

鼓形濾網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)減速箱，減速箱輸出驅(qū)動(dòng)軸通過小齒輪和鼓形濾網(wǎng)外圈的大齒圈嚙合，從而驅(qū)動(dòng)鼓形濾網(wǎng)旋轉(zhuǎn)。減速箱由中高速一級(jí)減速箱、二級(jí)減速箱、低速一級(jí)減速箱組成，各級(jí)減速箱為CAVEX 的CDA 系列渦輪蝸桿減速箱，原始結(jié)構(gòu)形式一級(jí)都為懸臂式結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 CDA120/CDA225 減速箱組合

2 軸承故障及原因分析

鼓形濾網(wǎng)主要故障都集中表現(xiàn)在中高速一級(jí)減速箱，具體現(xiàn)象為渦輪上部軸承損壞，此故障會(huì)導(dǎo)致鼓形濾網(wǎng)無法運(yùn)行，若短時(shí)無法處理，可能導(dǎo)致鼓形濾網(wǎng)壓差升高，帶來系列后續(xù)問題，給機(jī)組冷源帶來危險(xiǎn)，最終威脅核安全。

2.1 減速箱結(jié)構(gòu)

目前多電廠中高速一級(jí)減速箱的型號(hào)為同一結(jié)構(gòu)系列，三種型號(hào)分別為CDA120、CDA140、CDA160，因減速箱型號(hào)不同因此渦輪空心軸上的軸承型號(hào)也不同，早期出廠設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)底部無任何支撐，見圖2。

圖2 中高速一級(jí)減速箱結(jié)構(gòu)

2.2 減速箱軸承故障

多電廠發(fā)生軸承故障，均為渦輪空心軸上部軸承損壞，群廠共模故障，且出現(xiàn)故障的時(shí)間點(diǎn)主要集中在2015 年底到2017 年，而且都是CDA120 型號(hào)減速箱。對(duì)軸承缺陷進(jìn)行檢查，故障現(xiàn)象基本是：軸承6017 已損壞，軸承保持架斷裂，滾珠磨損嚴(yán)重或者破裂，滾珠表面存在剝落現(xiàn)象，軸承內(nèi)圈受到不同程度的磨損。

2.3 原因分析

2.3.1 時(shí)間上分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的故障時(shí)間，可將故障情況分為3 個(gè)時(shí)間段：

（1）從機(jī)組商運(yùn)開始到2015 年10 月

最早機(jī)組2002 年5 月就已經(jīng)開始商運(yùn)，但是僅僅2009 年發(fā)生故障一次。在此時(shí)間階段內(nèi)，冷源海域情況良好，未發(fā)生任何冷源影響機(jī)組運(yùn)行的情況，也很少各種冷源應(yīng)急措施。此階段只有一次故障。

（2）2015 年11 月到2017 年

2015 年底開始，多電廠先后出現(xiàn)過進(jìn)水明渠（或者隧道）海生物增多事件。為了保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)冷源格外關(guān)注，為減少鼓形濾網(wǎng)的壓差高，避免機(jī)組停循環(huán)水泵降功率以至停機(jī)停堆，必須及時(shí)處理解決。比較有效的早期措施就是盡快啟動(dòng)中高速電機(jī)，以至中高速電機(jī)啟停頻率、運(yùn)行時(shí)間增加。而且該階段，中高速電機(jī)提升功率改造，更換了電機(jī)型號(hào)，電機(jī)重量增加，而且最初早期改造未在電機(jī)底部增加支撐。此階段故障最多，而且是多基地多個(gè)設(shè)備出現(xiàn)。

（3）2018 年以后

此階段已經(jīng)完成中高速電機(jī)功率提升，并在完成改造后電機(jī)底部增加彈性支撐，進(jìn)水渠增加優(yōu)化了攔截措施，冷源相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)減小，鼓形濾網(wǎng)在中高速運(yùn)行的情況良好，沒有出現(xiàn)中高速一級(jí)減速箱軸承故障。此階段目前基本無大的故障。

通過以上不同時(shí)間段的分析，冷源的海生物對(duì)鼓形濾網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生了影響，頻繁啟停多中高速電機(jī)對(duì)減速箱的壽命產(chǎn)生了直接影響，明顯鼓形濾網(wǎng)在中高速運(yùn)行的時(shí)間增多，既減速箱在中高速運(yùn)行時(shí)間多，軸承壽命有限導(dǎo)致故障多。

2.3.2 減速箱型號(hào)分析

目前出現(xiàn)軸承故障的都是CDA120 型減速箱，而其他型號(hào)從商運(yùn)到當(dāng)前還未出現(xiàn)故障，需要對(duì)不同型號(hào)的減速箱軸承進(jìn)行對(duì)比分析。

從鼓形濾網(wǎng)減速箱布置（圖3）[2]可以看出，中高速電機(jī)結(jié)構(gòu)為單向懸臂結(jié)構(gòu)，下部無支撐，既蝸輪蝸桿減速機(jī)是空心軸立式安裝，減速機(jī)的本體的自重只能由與外部鏈接的部件承擔(dān)，也就是輸出空心軸承擔(dān)，重量最終由上部軸承承受，減速機(jī)本體還有電機(jī)和其他附件（潤(rùn)滑油、計(jì)數(shù)器減速箱）及渦輪蝸桿傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的軸向力，因此軸承的受力與軸承的壽命計(jì)算時(shí)需考慮到本身及附件的重量。蝸輪蝸桿受力分析如圖4 所示。

CDA120 減速箱渦輪軸所使用軸承為深溝球軸承6017，上下各一個(gè)，該軸承主要承受徑向力，只能承受較小軸向力，跟徑向游隙相關(guān)，增大徑向游隙時(shí)，具有角接觸軸承的功能，可承受一定軸向載荷，但不能單獨(dú)承受。當(dāng)此類型軸承承受較大軸向力時(shí)，使用壽命將大大降低，這是軸承損壞的主要原因。深溝球軸承選用的一般情況下軸向力不得超過0.5C0，過大的軸向負(fù)荷會(huì)大幅降低軸承的工作壽命。而且承受的軸向力大小與軸承的內(nèi)部游隙有直接的關(guān)系，游隙越大鋼球在軸向位置運(yùn)動(dòng)的范圍也就越大，所能承受的軸向力也就越大，但是游隙也不能盲目的大，如果游隙過大，導(dǎo)致在此單伸展軸（不對(duì)稱）懸臂情況下，安裝在末端的電機(jī)振動(dòng)就越大，因此不能選擇大游隙（例如C3、C4、C5），而選擇的是常規(guī)的普通游隙組（0.012～0.036 mm）。

圖3 減速箱布置

圖4 減速箱受力分析

對(duì)損壞的軸承進(jìn)行專業(yè)失效分析，分析表明軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受較大軸向載荷，軸承外圈產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，保持架頻繁受到?jīng)_擊載荷，這使得軸承疲勞壽命大大縮短。中高速電機(jī)的頻繁切換加速了軸承的疲勞剝落，導(dǎo)致最終的失效，既上部軸承內(nèi)外圈受力不均勻且受力方向不斷變化，及長(zhǎng)期承受交變載荷，最終導(dǎo)致軸承損壞。

減速箱的型號(hào)不同，減速箱內(nèi)部選用的軸承不同，尺寸越大，在電機(jī)相同情況下軸承的基本額定載荷就越大，直接決定了能否滿足設(shè)備運(yùn)行要求。軸承分析見表1。

表1 軸承力學(xué)參數(shù)及軸承壽命

2.3.3 電機(jī)功率提升改造影響分析

對(duì)于中高速電機(jī)功率偏小問題，多電廠電機(jī)改造換型，電機(jī)重量增加，增加了減速箱上部軸承的軸向受力，縮短了軸承使用壽命（表1）。在最初改造設(shè)計(jì)分析時(shí)只考慮了減速箱連接的法蘭強(qiáng)度，未對(duì)減速箱內(nèi)部受力進(jìn)行分析，未考慮中高速電機(jī)重量增加對(duì)軸承壽命的影響，因此CDA120 減速箱未同步更改型號(hào)，電機(jī)安裝方式也未改變。中高速電機(jī)換型之后，多次出現(xiàn)故障，在設(shè)備解體后，確認(rèn)都是中高速減速箱上部軸承損壞。

而后期改造時(shí)考慮到了電機(jī)重量變化影響，就直接電機(jī)底部增加支撐，則未再發(fā)生減速箱上部軸承損壞故障。

2.4 改進(jìn)措施

2.4.1 更改為臥式結(jié)構(gòu)

當(dāng)前使用的CAVEX 系列CDA 型懸臂式減速箱整體更換為臥式減速箱，已有電廠將減速箱改造為臥式減速箱H4SH09減速機(jī)。對(duì)比90 年代商運(yùn)的核電機(jī)組，原始設(shè)計(jì)為雪鐵龍臥式減速箱的鼓形濾網(wǎng)設(shè)備，運(yùn)行20 多年，減速箱故障率非常低，設(shè)備穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，因此臥式結(jié)構(gòu)是目前最可靠、故障最少的減速箱。

2.4.2 更換減速箱型號(hào)

對(duì)于核電的百萬機(jī)組，曾經(jīng)普遍使用的CDA120 減速箱，已經(jīng)明顯不能滿足于設(shè)備運(yùn)行需求，不改變結(jié)構(gòu)形式應(yīng)更換使用更大型號(hào)減速箱，如選擇CDA160。減速箱的型號(hào)不同，對(duì)應(yīng)的軸承不同，在負(fù)載相同情況下，軸承的壽命也就不同。最初安裝使用CDA140 減速箱鼓形濾網(wǎng)，從商運(yùn)開始到至今，還未出現(xiàn)過軸承損壞的故障。

2.4.3 電機(jī)底部增加支撐

由于電機(jī)是懸臂安裝，導(dǎo)致電機(jī)重量都是由減速箱的上部軸承承受，而在中高速電機(jī)的底部增加支撐，有效分擔(dān)了中高速一級(jí)減速箱渦輪上部軸承的軸向載荷，減少了減速箱懸臂結(jié)構(gòu)的承載和軸承的軸向力，能延長(zhǎng)軸承的使用壽命。

鼓形濾網(wǎng)本體為現(xiàn)場(chǎng)拼裝結(jié)構(gòu)，齒輪接合位置、圓度等與理論存在偏差，因此需考慮的內(nèi)應(yīng)力的綜合影響，減速箱的末端（電機(jī)）需要具備一定的靈活性，避免因內(nèi)應(yīng)力的影響導(dǎo)致減速箱異常磨損，因此彈性支撐是比較理想的選擇。既能滿足現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)重量支撐要求，提升減速箱軸承其可靠性及使用壽命，又能承受鼓形濾網(wǎng)圓度內(nèi)應(yīng)力的影響，保障設(shè)備能在正常運(yùn)行。

2.4.4 軸承改造換型

CDA 系列中高速減速箱蝸輪軸軸承選用深溝球軸承，該軸承抗徑向載荷能力強(qiáng)，但抵御軸向載荷承受能力不足，因此在不更換減速箱的情況下，對(duì)軸承進(jìn)行改造換型也是個(gè)選擇，軸承改造選型分析選擇見表2。

表2 CDA120 軸承改造選擇

3 結(jié)束語

通過多年對(duì)核電站鼓形濾網(wǎng)減速箱的檢修，對(duì)減速箱軸承故障進(jìn)行多維度原因分析，并進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。對(duì)提升減速箱故障排查、檢修等方面具有重要意義，為核電站冷源保障和機(jī)組安全運(yùn)行奠定了重要基礎(chǔ)。