凝結水泵電機軸承失效原因分析

程義巖

（秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300）

在核電廠的工藝系統運行中，泵、風機等轉動設備驅動電機的可靠性直接關系到核電廠工藝系統的運行可靠性和運行安全。因此，對核電廠重要設備電機的運行可靠性，就有了更高的要求。

軸承是電機上承載最大載荷的轉動機械部件，同時也是一個精密部件。它的故障占電機所有故障的八成以上（據統計資料顯示）。因此，軸承的可靠性直接影響到電機的運行安全，需要對電機軸承損壞因素進行不斷的分析。在電機的運行過程中，軸承也常常會因為沒有達到其額定的使用壽命而提前失效，導致設備停機并造成設備損壞。其中一個重要原因是，軸承的工作表面受到異物的污染導致表面損傷；異物破壞了軸承的工作面，增大了其接觸應力，加快了軸承的疲勞進程，導致了軸承潤滑不良，縮短了軸承的使用壽命。

本文通過案例分析了因柔性異物而導致軸承過早失效的原因、過程，以此揭示柔性異物對軸承使用壽命損害的全過程，采取有效措施改善軸承的潤滑狀況，延長軸承的使用壽命確保電廠的安全運行。

1 軸承潤滑劑機理

為確保軸承處于良好的潤滑狀態，每臺電機在設計時都會采用適合自己工況的潤滑方式。雖然潤滑形式不同，但所起的作用一樣。潤滑介質在軸承各工作表面上形成一層潤滑油膜，潤滑各個運動部件的表面，油膜把各個運動部件隔離開來，使它們不發生金屬摩擦，減少磨損和發熱；另外潤滑介質還能帶走局部高溫熱量，降低工作面溫度使軸承內部的溫度趨于一致。潤滑介質還是軸承保持架動態運動的阻尼介質。良好的潤滑是提高軸承使用壽命最有效的方法之一。在軸承的正常工作過程中，潤滑劑必須參與到整個工作過程之中。

在軸承潤滑良好時，滾子和滾道就會對潤滑油形成擠壓。在接觸部位上由于負載壓力的作用會使金屬面產生輕微變形，使得接觸面積稍有增大，由于潤滑油受到擠壓使得其黏度增大變得黏稠，因此在軸承滾子高速轉動的過程中往往是在潤滑油尚未從摩擦副表面完全擠壓出的瞬間就已經完成了一次“離合”擠壓過程。在這個擠壓過程中摩擦副表面上始終保持著一層均勻呈流體狀態的油膜。

2 案例介紹

2.1 事件經過

2009年8月19日，電廠1號凝泵電機因故障而停機檢修。

凝結水泵停機前設備運行參數：

環境溫度： 35 ℃；

電機鐵芯溫度： 70 ℃；

上機架油箱溫度： 76 ℃；

上軸承振動： 8.3 mm/s；

下軸承振動： 4.0mm/s；

下軸承溫度： 45 ℃。

并列運行3號凝泵電機振動數值：

上軸承振動： 7.1 mm/s；

下軸承振動： 3.1 mm/s；

上機架油箱的油溫：70 ℃。

電機解體檢查情況：

1）上軸承外圈滾道損壞嚴重（見圖1）軸承已經損壞失效。

2）上軸承潤滑油無劣化現象，但在油箱內發現異物：金屬碎屑和數根5 cm左右的纖維狀物質（見圖2）。

3）負荷側軸承良好，潤滑油脂無老化過熱現象。

4）電機直流電阻，絕緣正常。

5）定轉子無掃膛現象。

6）定子繞組無損壞、過熱現象。

7）上機架油箱表面有較多油漬，初步判定為油氣凝結所致。

圖1 上軸承外圈損壞情況Fig.1 Damage on the outside of the bearings

圖2 上機架油箱內異物纖維Fig.2 Foreign matters (hair, fibre, metal particle) in the oil tank

2.2 凝泵電機的主要參數

電機型號：LY400-4；

功率： 315 kW；

電壓： 6 kV；

電流： 36.4 A；

頻率： 50 Hz；

轉速： 1480 r/min；

上軸承軸承型號： 29422E；

上軸承潤滑方式： 采用流體潤滑；

負荷側軸承型號： 6222；

負荷側軸承潤滑方式：采用脂潤滑。

2.3 運行狀況

該電機投運時間區間為：2009年4月4日11∶25～2009年8月11日13∶43，在此期間電機累計運行時間為1357.5 h（來自該設備運行記錄）。

3 原因分析

3.1 檢修記錄和設備特征

2009年3月，該電機進行了一次計劃解體大修，并更換了全部軸承。在檢修過程中，檢修人員遵守操作規范，檢修后的各項數據和指標均符合檢修規程要求。軸承有產品合格證，安裝前經有關技術人員檢驗確認為合格產品。檢修后各項電氣試驗合格。并通過兩小時的功能鑒定（帶負載試驗）沒有發現異常。根據相關資料表明軸承的正常使用壽命（良好潤滑狀態下）在1萬小時以上，那是什么原因導致這臺電機投入運行1000多小時，軸承就出現這么嚴重的損壞現象呢？這其中一定是存在不良因素所致。做了排查和分析工作初步認為，外部異物的進入導致軸承的工作面受損，使得軸承過早失效。

這臺電機為立式安裝形式，它的上軸承是29422E軸承為推力調心滾子軸承，這種軸承是用于承受軸向載荷為主的軸承，因此這個軸承載荷容量高，能承擔徑向聯合載荷，但徑向載荷不得超過軸向載荷的55%。這種軸承摩擦因數較低，轉速相對較高，并具有一定的調心功能。由于軸承的滾子較長、直徑大，滾子數量多，且軸承的滾子為非對稱型球面滾子，座圈滾道為凹球面滾道，滾動體與滾道的接觸面積相對較大，所以它能減少滾子和滾道在工作中的相對滑動，確保滾動體正常工作。軸承由內滾道、外滾道、15個滾子和保持架組成，其中15個滾子的外輪廓線形成一個錐形的曲面，其滾道也為曲面設計。軸承采用流體潤滑，設計參照轉速為1600 r/min。

在電機運行過程中，上軸承不僅要承受電機徑向負載載荷，還要承受整個轉子的軸向重力和電磁拉力，因此軸承滾子和滾道所受的壓強很大。只有軸承在良好潤滑狀態下才能正常工作，電機轉子的有效矢量才能得以正常的輸出。

3.2 軸承損壞過程分析

在對電機進行解體檢查時，發現在上機架油箱內有金屬碎屑和長度為50mm、直徑在0.12 mm左右的白色纖維狀物質，經鑒定分析：金屬碎屑是軸承滾道上剝落下來的顆粒物，而纖維狀物質則是動物毛發（疑為檢修時毛刷上脫落下的）。

經過調查得知，上次對電機進行解體檢修的過程中，在裝配電機上軸承前對上機架油箱進行過徹底的清潔，異物滯留在油箱的可能性非常小；而毛刷纖維很可能是在軸承安裝結束后，用毛刷和清洗劑對軸承進行最后的清潔時，毛刷纖維被軸承縫隙夾脫造成的，由于軸承的結構和安裝形式等因素的影響，那些脫落的纖維被夾雜在軸承滾道縫隙里很難被發現，因此就形成了柔性異物。柔性異物對軸承造成的嚴重損害分析如下：

29422E軸承是推力調心滾子軸承，它能承受較大的聯合載荷并有自動調心的特點。當滾子表面與滾道表面接觸時，滾子在滾道上就會存在兩種運動即滾子的自旋滾動和滾子與滾道的相對滑移，這兩種運動不是孤立存在的而是互為依存，在一定條件下可互為轉化。當潤滑良好時滾子就以自旋滾動為主，很少出現滑動現象，即使發生滑移運動也是在完全流體潤滑狀態下進行的，不會對摩擦副表面造成損傷。當潤滑不良時兩摩擦副表面的摩擦系數就會增大，當摩擦力矩增大到一定程度時，就會阻礙滾動體的自旋運動造成滑移現象，滑動分量就會急劇增大。

軸承在工作時要承受很高的集中交變載荷，由于滾動體與軸承滾道之間的接觸面積小，它的法向力和切向力也會隨著摩擦系數的變化而不斷地變化。使得滾子在滾道上高速旋轉的同時也會伴隨著局部打滑現象。如果此時潤滑不好就會在軸承滾道上沿著滾道的切線方向產生很大的剪切力。

圖3 滾子與滾道結合示意圖Fig.3 The connection between the bearing and the roller

對于29422E推力調心滾子軸承來說，軸承滾子和滾道的接觸表面并非平面而是曲面，滾子為圓錐形，接觸表面具有調和平均輪廓半徑的作用，如果舜軸平行于接觸表面中心點切向平面，則舜軸與接觸表面相交于兩點，這兩點上產生純滾動運動。圓錐球面滾子與外圈滾道的接觸區域為A-A區域（見圖3），為便于調心功能和對負載沖擊的適應性滾道的曲率小于滾子曲面，由于兩個面的曲率不同，在滾子的兩端就形成了一個補償角Δα，其目的就是保證滾子在滾道B-B區間內保持大致相同的線接觸。接觸區域隨時間和負載的變化在滾道B-B范圍內變化。當滾子的自旋軸線C-C與滾道切線垂直時，滾子是純自旋滾動。當軸承滾子負載突變或接觸區域嚙合異物時，局部摩擦力增大，滾子的受力方向就會發生改變，此時滾子的自旋軸線與滾道切線方向就形成一定的偏角（即不垂直）。滾子的滾動方向與受力方向就形成夾角。滾子雖然以單一速度繞自身軸線旋轉，在離開軸線不同半徑的表面上各點有著不同的線速度。滾子滾動一周的距離就會大于或小于滾子在滾道上的運動距離，這時就發生了滑移運動。基于上述原因可知，這類軸承雖然承載能力強，但是在潤滑不好和負載變化時更容易出現滑移現象。因此軸承的滑動被認為是接觸面上滾動體相對運動的一種狀態。在滾道B-B的中心區域內滾道承受的壓強載荷最大、碾壓概率最高。因此這個區域內會最先出現金屬疲勞，也是最先發生損壞的地方，如圖1所示。

軸承在制造過程中，要對軸承的滾道、滾動體的表面進行多種機械加工和表面硬化處理，經過機械加工和處理后的表面，其上層晶粒在加工的過程中會發生塑性變形，但其硬度和脆性也會隨之增加，由于上層晶粒發生塑性變形后其結構性質與下層晶粒會有所不同，致使上層晶粒與下層晶粒的結合力下降。當軸承處在良好的潤滑狀態時，這個工作面就具有很高的耐磨性和剛性，由于潤滑介質的存在，潤滑油膜將軸承各工作部件隔離開。良好的潤滑會使工作面的使用壽命達到極限。當軸承處于不良潤滑時，油膜變薄或喪失就會造成兩摩擦副表面之間發生金屬碰撞產生閃溫、黏結現象，造成材料表面過早產生疲勞和損傷。

3.3 柔性異物對軸承壽命的影響

軸承異物按其性質可大致分為：剛性異物和柔性異物兩類。剛性異物對軸承的損害是最嚴重、最直接的，破壞速度很快。而柔性異物對軸承壽命的影響有一個過程，理論上沒有那么劇烈，卻容易被人們忽視。

所謂的柔性異物是指機械硬度小，塑性大的物質。它有一定的塑性、柔韌性和延展性，動物毛發就屬于此類。動物毛發主要由蛋白質和角質體組成，它的機械強度很低，高溫時很容易被碳化。但是它們的柔韌性和延展性都非常好，當滾子碾壓時，它對軸承的圓度和剛性不會產生影響，也不會在軸承的滾道上留下壓痕，但它在被滾子推碾的過程中，在它的后側滾子和滾道的接觸區域內就會形成一定區間的乏油區。在乏油區內滾子和滾道之間的潤滑狀態就會由全流體潤滑變成貧油潤滑，即邊界潤滑嚴重時形成干磨現象。

根據軸承的概率乘積定律，軸承套圈的失效概率是各個部件失效概率的乘積。由于軸承各個部件的受力方式和機械強度等因素的影響，外滾道失效概率要遠遠大于其他部件，因此本文著重討論外滾道的失效機理。

軸承的工作表面無論加工多么精密，其微觀上都是由無數個任意分散的凹凸不平的微峰所組成，其表面的真實幾何形狀包括表面的形狀偏差、表面波紋度和表面粗糙度等。由于滾動體和滾道在接觸區內接觸面積小，壓強就很大。在相互接觸的兩個運動面上，如果處在邊界潤滑狀態下，摩擦副表面僅被一層（0.1 μm左右）呈現非流動狀態的潤滑油膜所隔開（此時的油膜很不穩定）。此時的摩擦力比流體潤滑狀態下大很多，在相互接觸的兩個運動面上，由于摩擦力矩增大將會導致滾子滑移。由于缺少潤滑油膜的隔離，兩表面輪廓峰就會直接地相互作用，滾道面上將受到很大切線方向的剪切力作用，輪廓凸峰刺破油膜，使得那些微小凸峰發生直接碰撞、脆性折斷、塑性變形，并在凸峰根部產生微小的應力裂紋。

被碾壓變型的毛發碎片會殘留在滾子和滾道的接觸區域內，這些殘留物被擠壓到表面凹谷內，將凹谷內殘余的潤滑油擠出，并破壞僅存的表面附著油膜，使得潤滑狀態更加惡劣并趨向于干磨。

由于潤滑油膜的缺失導致兩個工作面上的金屬凸峰相互撞擊，一部分凸峰會斷裂，另一部分由于撞擊產生高溫發生塑性變形造成黏結點的形成，黏結點最終會再次發生撕裂，而發生撕裂的位置并非最初的黏結界面。因此，導致材料在表面間發生轉移。黏結點在形成和撕裂的過程中都會產生很高的熱能熔點即“閃溫”和冷焊現象。閃溫不僅可將毛發碎片碳化，還會將殘余油膜氧化殆盡，從而造成干磨現象，同時也形成一種機械化學磨損，使潤滑狀態更加惡劣。

在滑移摩擦過程中，由于力和熱效應的作用，摩擦副表面將發生一系列的變化。表面形貌和微觀接觸形態在摩擦過程中不斷地發生著變化；同時摩擦副表面組織吸附膜和氧化膜也將發生破裂，這種現象持續下去就會產生大量的微小裂紋，隨著裂紋不斷擴展并相互連接，形成了微小的顆粒剝落，從而造成局部的表面損傷。這種損傷進一步擴展就會使那些微小的裂紋增值而覆蓋在滾道面上，最終導致軸承表面產生更多微小的剛性異物顆粒。這些微小顆粒又會重新進入滾道，造成新的剛性異物損傷。剛性異物損傷是直接的和發展迅速的，造成的損害也是最大的。這樣周而復始的惡性循環造成大面積的表面疲勞損傷，這種損傷進一步擴展覆蓋在滾道表面上形成麻點。這些麻點再進一步擴展連接成片，造成更大的裂紋和剝落，形成更多更大的硬顆粒異物。

3.4 剛性異物對軸承壽命的影響

當柔性異物損傷發展到一定程度時，就會導致表面疲勞和剝落，剝落下來的顆粒又會形成剛性異物損傷。剛性異物是指有一定的機械強度物質，在本案例中硬顆粒異物就是從滾道上剝落下來的顆粒。當這些硬顆粒重新進入滾道被滾子碾壓時，就會在滾動表面產生應力集中；又因為顆粒的硬度和滾道表面相同，這樣就會在顆粒下方的滾道上產生瞬時小的、局部有限的塑性變形（即壓痕），壓痕的出現使得壓痕區的機械強度下降。當滾動體再次經過壓痕時也會產生高應力集中現象，而在隨后的循環碾壓下在壓痕的后側會出現裂紋和麻點。隨著軸承運行時間的延長，順著滾動方向就會形成裂紋并向外和深層擴展，當這些裂紋擴展到一定程度時即發生新的更大的剝落，當越來越多的小金屬顆粒從表面上脫離下來再次進入滾道就形成了惡性循環（見圖4）。

由于滾道表面有剝落現象，使得滾道表面凹凸不平。當滾子高速撞擊凸峰時會產生很大的能量，這些能量將轉化成振動能和熱能。同時凸峰受到如此大的多次沖擊，也將發生“崩潰”現象，形成更大的顆粒。

雖然表面硬化處理使得滾道表面形成一定深度、硬度很高的耐磨層，其表面產生的高殘余應力能提高耐滾動性和抗彎曲疲勞能力。其表面硬度雖然增強了，但韌性卻下降了；而表層下的組織較軟、韌性好，可阻斷裂紋的擴展，但這些都是相對的。一旦超過了它的承受閾值就會很快崩潰，加速表面的剝落速度，最終導致軸承失效。

軸承的磨損包含3個階段：磨合階段，穩定磨損階段，劇烈磨損階段（見圖5）。

1）磨合階段：新軸承的工作表面都有一定的粗糙度，在磨合初期只有輪廓凸峰接觸，實際接觸面積較小，接觸處的壓力較大。隨著摩擦副表面的相對運動，經短時間磨合，表面凸峰被磨平，使實際接觸面積增大，磨損速度降低。在此階段是以流體潤滑為主，同時伴隨著很少量的邊界潤滑，在此階段滾子在滾道上會出現一定量的在流體潤滑狀態下的滑移運動。

2）穩定磨損階段：屬于正常磨損階段、磨損平穩、緩慢。曲線斜率小，時間長，是軸承的正常工作階段。此時滾子在滾道上處在流體潤滑狀態下，滾子在流體潤滑狀態下很少出現滑移現象。軸承正常磨損過程如圖5所示。

3）劇烈磨損階段：磨損劇烈，溫度升高，振動增加，磨損量快速增加，此時軸承滾子與滾道的接觸區處在乏油狀態下，滑移分量很大。軸承會在短時間內喪失其使用功能。

在磨合階段如果有異物嚙合時，磨合期就會很短，并直接進入劇烈磨損階段，使軸承使用壽命快速終結如圖5所示。

由上述可知，完全流體潤滑保證了軸承滾動體與滾道接觸區潤滑油膜的完好，避免金屬表面的直接接觸和碰撞。柔性異物會造成滾子接觸區域內的邊界潤滑和干磨狀態。而軸承在初始的磨合階段（無異物存在）由于表面粗糙度等原因，滾子在滾道上也會發生滑移現象，但這是在完全流體潤滑狀態下發生的滑移，因此它不會產生干磨和閃溫現象，這樣也就不會對滾道表面造成損害。如果滾子在滾道的貧油區發生滑移，就會對滾道表面造成損傷，損傷出現后這種破壞會一直持續下去。應當重視滾動接觸部位乏油區造成的邊界潤滑問題，邊界潤滑和干磨狀態下摩擦副表面的磨損量非常大。因此作用在滾道面上切向力的大小與潤滑狀態有著密切的關系，軸承的摩擦是現象，磨損則是必然。因此摩擦損傷對滾動軸承的壽命會產生很大的影響，摩擦損傷是裂紋產生的主要起因。有效潤滑是防止裂紋產生最有效的方法，也是延長軸承使用壽命的有力措施。

軸承滾道由疲勞至損壞，是由疲勞裂紋的產生和傳播擴展兩個過程組成，是一個由微觀到宏觀，由量變到質變的變化過程。滾道表面裂紋產生前可以通過一定的措施，避免最初貧油潤滑的發生，杜絕裂紋產生，并盡最大可能延長裂紋產生的起始時間，一旦裂紋產生就很難進行控制。要將這兩個過程區分開進行討論，有助于更準確地分析各部件的損壞原因，良好潤滑是軸承正常工作的一個重要條件。軸承材料的疲勞直接產生于軸承的工作表面，在理想的潤滑條件下，有一層足夠厚的潤滑油膜能防止金屬直接接觸，延緩工作面過早地出現損傷，預防材料過早地出現疲勞現象。

4 結束語

以往對軸承異物的理解主要是關注剛性異物對軸承使用壽命所造成的影響，而忽視了柔性異物的負面作用。柔性異物和剛性異物對軸承表面的損壞形式、機理和程度有所不同，但造成的結果卻是相同的，柔性異物損傷達到一定程度時就會演化成剛性異物損傷。柔性異物損傷能促使剛性異物顆粒的產生，是誘導剛性異物產生的直接誘因。通過這個案例可知，柔性異物同樣會導致軸承使用壽命的過早喪失，但影響的具體程度不能僅通過這一案例進行更加細致的量化分析，還需要今后進一步深入地研究和探討。作為檢修人員在實際工作中不僅要嚴格遵守工作程序，防止異物進入；也要在實際工作中不斷地鉆研和探索，通過不斷地提高和完善工作方法來確保檢修質量，提高被檢修設備的安全性和可靠性；同時也要做好故障的分析和總結工作，為今后預防設備此類故障的發生及設備的有效檢修提供一些良好的實踐依據。

[1]秦山核電有限公司.高壓凝結水泵電機檢修規程[R].（Qinshan Nuclear Power Co., Ltd.Repairing Regulations for HP Condensate Pump [R].）

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