軸流式風(fēng)機(jī)軸承失效分析

摘 要：【目的】為解決風(fēng)機(jī)在工作過程中出現(xiàn)異常噪聲的問題，優(yōu)化風(fēng)機(jī)軸承的裝配工藝，降低風(fēng)機(jī)因不平衡故障、不對(duì)中故障產(chǎn)生的影響，提高風(fēng)機(jī)的可靠性，對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)軸承進(jìn)行失效分析?！痉椒ā恳岳鋮s塔專用軸流風(fēng)機(jī)的軸承為研究對(duì)象，勘察分析同類軸承在相似工況條件下的裝配工藝及使用性能。利用粗糙度測(cè)量?jī)x、拉伸試驗(yàn)機(jī)等精密儀器設(shè)備，測(cè)量與軸承配合傳動(dòng)軸的直徑、表面粗糙度、轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)噪聲、材料成分和拉伸強(qiáng)度，對(duì)長(zhǎng)期服役風(fēng)機(jī)的軸承失效原因進(jìn)行分析研究?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間的高速旋轉(zhuǎn)過程中，軸承定位銷對(duì)軸承壽命至關(guān)重要。缺失定位銷的軸承座，緊固螺釘會(huì)發(fā)生松動(dòng)，原有的動(dòng)平衡系受到破壞，軸承將附加軸向載荷和徑向載荷，軸承套局部受力增大、發(fā)熱和產(chǎn)生軸向滑移，軸局部出現(xiàn)損傷和塑性形變。裝有定位銷的風(fēng)機(jī)軸承，緊固螺釘固定狀態(tài)良好，動(dòng)平衡系不受破壞，風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)良好。軸承失效后，軸徑局部有一定橢圓度，光亮處粗糙度變小，噪聲變化大且伴有異響。【結(jié)論】傳動(dòng)軸材料成分和強(qiáng)度滿足使用要求，使用工況會(huì)影響風(fēng)機(jī)可靠性，通過增加軸承座的定位銷，可有效提高風(fēng)機(jī)軸承壽命。通過定期檢查軸承緊固螺釘位置、監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)噪聲等措施，可減少冷卻塔風(fēng)機(jī)停機(jī)率，降低維修成本，提高使用壽命。

關(guān)鍵詞：軸承失效；定位銷；力學(xué)性能；塑性變形

中圖分類號(hào)：TH142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）15-0026-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.006

Failure Analysis of Axial Flow Fan Bearings

ZHAO Shuxian1 ZHANG Xiaofeng1 KUANG Haoyin2

（1. Guangzhou Institute of Metrology and Testing Technology， Guangzhou 510663，China

2. Center for Industrial Analysis and Testing， Guangdong Academy of Sciences， Guangzhou 510650，China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the reliability of fans， solve the problem of abnormal noise during operation， optimize the assembly process of fan bearings， reduce the impact of fan imbalance and misalignment faults， and improve the reliability of the fan， this paper conducts failure analysis on axial flow fan bearings. [Methods] This article takes the axial flow fan bearings used in cooling towers as the research object， investigates and analyzes the assembly process and performance of similar bearings under similar working conditions. Precision instruments such as roughness measuring instruments and tensile testing machines are used to measure the diameter， surface roughness， speed， fan noise， material composition， and tensile strength of the transmission shaft that matches the bearings. The reasons for bearing failure in long-term service fans are analyzed and studied. [Findings] The results indicate the vital importance of the bearing's locating pin for its service life during prolonged， high-speed rotation of the fan. In the absence of the locating pin in the bearing seat， the fastening screws tend to loosen， disrupting the original dynamic balance system and subjecting the bearing to additional axial and radial loads， resulting in increased local stress， heat generation， and axial slippage， leading to localized damage and plastic deformation of the shaft. Conversely， fan bearings equipped with locating pins exhibit a securely fastened screw state， intact dynamic balance system， and optimal operational conditions. After bearing failure， there is a certain ellipticity in the local shaft diameter， reduced surface roughness in bright spots， significant changes in noise accompanied by unusual sounds. [Conclusions] The material composition and strength of the drive shaft meet the usage requirements， and operational conditions influence its reliability. By adding locating pins to the bearing seat， it is possible to effectively enhance the service life of fan bearings. Regular inspection of the position of bearing fastening screws， as well as monitoring fan noise， can reduce the downtime of cooling tower fans， decrease maintenance costs， and improve service life.

Keywords： bearing failure; locating pin; mechanical properties; plastic deformation

0 引言

冷卻塔風(fēng)機(jī)是工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，須長(zhǎng)時(shí)間安全、可靠地運(yùn)行［1］。傳動(dòng)軸、軸承等作為冷卻塔風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，存在制造和安裝誤差，使用過程中細(xì)長(zhǎng)傳動(dòng)軸產(chǎn)生的不平衡慣量、松動(dòng)等原因，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)產(chǎn)生大的振動(dòng)和異常噪聲等現(xiàn)象，若不及時(shí)處理將引起軸承燒毀、葉片斷裂、傳動(dòng)軸甩出等重大安全事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［2］。因此，需要對(duì)風(fēng)機(jī)葉片、軸承、傳動(dòng)軸等關(guān)鍵部件進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和維護(hù)。本研究以某汽車公司的冷卻塔風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，分析其軸承失效原因及防止失效措施。

1 風(fēng)機(jī)失效故障模式

由于傳動(dòng)軸、軸承、殼體、葉片和基礎(chǔ)等部分的結(jié)構(gòu)、加工及安裝方面的缺陷，會(huì)使風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)引起振動(dòng)，振動(dòng)的加劇又往往是風(fēng)機(jī)破壞的主要原因［3-4］。冷卻介質(zhì)不足、潤(rùn)滑不良或安裝工藝不當(dāng)?shù)纫蛩匾彩禽S承失效的原因 ［5-6］。而各種振動(dòng)激勵(lì)與傳輸之間又相互制約，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障的識(shí)別工作比較困難。同一振動(dòng)現(xiàn)象，可能是不同的故障原因引起，同一故障也可能引起不同的振動(dòng)現(xiàn)象，因此，應(yīng)該先了解常見的風(fēng)機(jī)故障機(jī)理。而風(fēng)機(jī)常見的主要故障有葉輪不平衡、傳動(dòng)軸不平衡、聯(lián)軸器不對(duì)中、機(jī)組共振、傳動(dòng)軸彎曲、軸承失穩(wěn)和損壞等，這些故障都會(huì)引起風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。

本研究以某型號(hào)使用十年以上的風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)在使用過程中出現(xiàn)異響且噪聲大、不能正常工作的現(xiàn)象，故對(duì)其故障前后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)軸直徑、表面粗糙度、噪聲等進(jìn)行對(duì)比分析，以及失效軸承接觸部位傳動(dòng)軸的材料組成成分和拉伸強(qiáng)度進(jìn)行研究，查找軸承失效原因。

2 軸承失效現(xiàn)狀及原因分析

滾動(dòng)軸承是工業(yè)裝備傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，而滾動(dòng)軸承引發(fā)的故障是引起機(jī)器設(shè)備失效的重要原因。特別是在高速、重載條件下的滾動(dòng)軸承，出于工作面接觸應(yīng)力的長(zhǎng)期反復(fù)作用，極易引起疲勞、裂紋、剝蝕、壓痕等故障，從而引發(fā)軸承產(chǎn)生如斷裂、膠著、燒損等現(xiàn)象。而這些故障將會(huì)使軸承的旋轉(zhuǎn)精度降低，產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲，增加軸承旋轉(zhuǎn)的阻力，最終使軸承阻滯和卡死，造成整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的失效［7］。軸承因過載、潤(rùn)滑不良和裝配不當(dāng)?shù)仍蛞桩a(chǎn)生失效，其常見失效機(jī)理有接觸疲勞失效、磨損失效、斷裂失效、腐蝕失效、游隙變化失效。

2.1 軸承失效風(fēng)機(jī)

以某型號(hào)使用十年以上的軸流式風(fēng)機(jī)（主要參數(shù)：轉(zhuǎn)速190 r/min、直徑4 200 mm、功率22 kW、葉片數(shù)8、風(fēng)量394 350 m3/h、電壓380 V）為研究對(duì)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查1#風(fēng)機(jī)的使用工況，發(fā)現(xiàn)存在以下現(xiàn)象。

①風(fēng)機(jī)軸承失效，從動(dòng)端軸承的中心軸（右端）已出現(xiàn)塑性變形，接觸部位表面光亮，局部有發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，光亮區(qū)域長(zhǎng)度大于軸承寬度，如圖1所示。

②皮帶驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)主動(dòng)端軸承可平滑轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)端軸承出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

③風(fēng)機(jī)從動(dòng)軸承連接的軸承套內(nèi)部有劃傷，軸承座有定位銷孔，但沒有安裝定位銷，僅靠2個(gè)緊固螺母進(jìn)行固定，如圖2和圖3所示。

④風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承座安裝位置處，裝有1個(gè)定位銷和2個(gè)緊固螺母，打開軸承座，取出軸承套，發(fā)現(xiàn)與軸承套配合的軸直徑和表面未發(fā)生明顯變化，如圖4所示。

通過對(duì)風(fēng)機(jī)連接中心軸直徑、軸表面粗糙度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噪聲等參數(shù)測(cè)試，并與出廠參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：軸承失效前后，軸徑局部變小且有一定橢圓度，光亮處粗糙度變小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大，噪聲變化較大且伴有異響。軸承失效前后中心軸及風(fēng)機(jī)部分參數(shù)比對(duì)見表1。

2.2 同類型軸承未失效風(fēng)機(jī)

在使用車間對(duì)同類型軸承未失效的2#風(fēng)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承座固定處有1個(gè)定位銷，2個(gè)緊固螺釘，從動(dòng)端軸承座固定處含有2個(gè)定位銷，2個(gè)緊固螺母。風(fēng)機(jī)從動(dòng)端、驅(qū)動(dòng)端的軸承安裝方式，如圖5和圖6所示。安裝的定位銷保證了軸承座受到循環(huán)載荷，即緊固螺釘發(fā)生輕微松動(dòng)時(shí)，不破壞原有動(dòng)平衡系，軸承座不發(fā)生移位，軸承運(yùn)行良好，噪聲小，軸承未失效。

2.3 傳動(dòng)軸不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)軸承的影響

冷卻塔風(fēng)機(jī)從動(dòng)端傳動(dòng)軸產(chǎn)生接觸部位表面光亮，局部發(fā)藍(lán)，光亮區(qū)域長(zhǎng)度大于軸承寬度的狀況，該現(xiàn)象會(huì)引起風(fēng)機(jī)細(xì)長(zhǎng)傳動(dòng)軸在旋轉(zhuǎn)過程中軸系不平衡，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡慣量增大，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，使軸承座承受循環(huán)載荷，加速了緊固螺釘松動(dòng)的發(fā)生，破壞原有的動(dòng)平衡系，進(jìn)而加速軸承磨損，降低風(fēng)機(jī)的使用壽命。

2.4 傳動(dòng)軸材料力學(xué)性能分析

2.4.1 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。材料的拉伸強(qiáng)度越大，其所承受的塑性變形就越小，材料的塑性也就越小。傳動(dòng)軸表面有塑性變形，表明局部材料受到的循環(huán)載荷強(qiáng)度超過其材料的拉伸強(qiáng)度。在失效傳動(dòng)軸端部局部位置取部分材料，對(duì)其進(jìn)行常溫下拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如圖7所示；試驗(yàn)結(jié)果見表2。測(cè)試結(jié)果表明，材料的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率等參數(shù)均符合拉伸試驗(yàn)的要求。材料為碳鋼，拉伸試驗(yàn)的樣品直徑為10 mm，材料拉伸性能符合設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 材料成分分析。材料成分對(duì)材料力學(xué)性能有一定的影響。一般情況下，碳鋼中碳含量越高，其硬度、強(qiáng)度增強(qiáng)，韌性和塑性降低。對(duì)失效傳動(dòng)軸端部局部位置部分材料進(jìn)行成分分析見表3。測(cè)試結(jié)果表明，鋼材料成分含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 700—2006）的要求，其力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)使用要求。

2.5 軸承失效原因分析

疲勞是零件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷過程。在循環(huán)加載期間，在最高應(yīng)力區(qū)域發(fā)生局部塑性變形，這種塑性變形會(huì)引起零件的永久損傷和裂紋擴(kuò)展，隨著零件所承受的加載循環(huán)次數(shù)不斷增加，裂紋長(zhǎng)度（損傷）隨之增加。

風(fēng)機(jī)從動(dòng)端軸承中心軸局部出現(xiàn)塑性變形，接觸部位表面光亮，局部有發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，光亮區(qū)域長(zhǎng)度大于軸承寬度。產(chǎn)生這種失效現(xiàn)象的原因是風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間、高速旋轉(zhuǎn)過程中，軸承座承受循環(huán)載荷，緊固螺釘發(fā)生松動(dòng)，破壞原有的動(dòng)平衡系，軸承受到附加軸向載荷，軸承套發(fā)生軸向滑移，同時(shí)軸承徑向載荷也增大，使軸承套局部受力增大、發(fā)熱，軸局部出現(xiàn)損傷和塑性形變，導(dǎo)致軸承產(chǎn)生疲勞失效。中心軸與軸承內(nèi)襯受沖擊載荷影響，產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦，導(dǎo)致其工作表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生磨損失效。同時(shí)，滾動(dòng)軸承在工作中，由于受外在或內(nèi)在因素的影響，原有配合間隙改變，精度降低，軸承間隙變化，與軸承內(nèi)徑接觸中心軸局部溫升，產(chǎn)生游隙變化失效。

3 預(yù)防措施

為避免風(fēng)機(jī)軸承失效，宜采取以下預(yù)防措施。

①在主動(dòng)、從動(dòng)軸的軸承座附近定位孔中增加定位銷，減少軸承座因受沖擊載荷影響產(chǎn)生微位移。

②在固定軸5707ce2948d751f77e009f03a05cc9fca01f3f1a177aec2648d075e5cc4556ab承座螺釘上畫位置線，定期監(jiān)控位置線變化。

③定期檢查軸承附近軸的尺寸、形狀和外觀質(zhì)量變化，若發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

④定期監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)噪聲或測(cè)試風(fēng)機(jī)振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)噪聲異?；蛘駝?dòng)量過大時(shí)應(yīng)及時(shí)查找原因。

⑤定期更換風(fēng)機(jī)軸承或軸承內(nèi)襯。

4 結(jié)論

對(duì)比同型號(hào)風(fēng)機(jī)的軸承安裝位置、運(yùn)行工況、軸承失效情況，以及1#風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噪聲、中心軸直徑及前后粗糙度，得出以下結(jié)果。

①軸承失效前后，軸徑局部變小且有一定橢圓度，光亮處粗糙度變小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大，噪聲變化較大且伴有異響。

②風(fēng)機(jī)軸承座定位孔中應(yīng)增加定位銷，以預(yù)防軸承受到振動(dòng)沖擊產(chǎn)生微位移，致使振動(dòng)增加，軸承受到附加軸向載荷，軸局部出現(xiàn)損傷和塑性形變，導(dǎo)致軸承產(chǎn)生疲勞失效。

③風(fēng)機(jī)軸承失效是由接觸疲勞失效、磨損失效、游隙變化失效的綜合作用。

④傳動(dòng)軸在旋轉(zhuǎn)過程中軸系不平衡而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡量慣量增大，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，使軸承座承受循環(huán)載荷，破壞原有的動(dòng)平衡系。

⑤傳動(dòng)軸材料的組成成分和拉伸強(qiáng)度均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

⑥為保證風(fēng)機(jī)良好運(yùn)行，應(yīng)定期給軸承座添加潤(rùn)滑油，并檢查風(fēng)機(jī)軸承工作狀況，以減少冷卻塔風(fēng)機(jī)的停機(jī)率，降低維修成本，提高使用壽命。

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