高壓電機滾動軸承失效分析與改進

庾應文

摘 要：本文結合水廠高壓電機滾動軸承失效實例，從理論與實踐角度闡述了滾動軸承失效的分析與處理，對實踐有一定的指導作用。

關鍵詞：滾動軸承；失效分析；軸電流

高壓電機滾動軸承在使用過程中不可避免的因自身質量和外部條件的作用等原因導致其性能下降或故障發生、甚至失效。軸承一旦發生故障或失效，就會引起停機或事故，就需要在短期內查出軸承失效的原因，提出對策。為此結合水廠高壓電機滾動軸承幾起失效實例，對高壓電機滾動軸承失效的原因及處理措施進行分析，對提高設備的搶修速度和質量，減少設備檢修維護費用有一定作用。

1 高壓電機滾動軸承失效事例

東莞某水廠配水泵房有4臺配水泵機組，其中兩臺為定速機組其所配電機型號為YSK800-8，另外兩臺為調速機組其所配電機型號為YPT800-8，額定功率都為2000kW，額定電壓為10kV，電機前端為圓柱滾子軸承NU248+深溝球軸承6048，電機后端為圓柱滾子軸承NU248。機組2008年底開始投入使用，但在投入使用后不久，逐漸發生了電機滾動軸承失效事例。

2010年10月26日4#調速電機非聯軸器端軸承有異聲，停機檢查，維修人員拆解發現：軸承內圈點蝕，圓柱滾子有磨損。判斷為潤滑不良，進行軸承更換處理。

2011年6月2日6#定速電機聯軸器端軸承，振動速度超標達到28—30mm/s，停機檢修，發現圓柱滾子軸承內圈和滾柱嚴重磨損，深溝球軸承滾子磨損、保持架卡阻失效。排除了機組對中、地腳螺栓松動以及潤滑油不足等原因，懷疑軸承安裝不到位，但沒有足夠依據支持這個判斷，因為沒有軸承安裝時的記錄，最終對軸承進行了更換處理。

2012年1月2日晚，4#調速電機聯軸器端軸承冒煙，緊急停機，拆卸檢查發現：圓柱滾子軸承內圈與電機軸燒結融合。組織了維修技術人員對電機軸承的燒毀進行了分析，但對最終引起軸承失效的真正原因沒有定論。

短期內電機多次出現前后端軸承故障，按照一般情況軸承壽命不會這么短，對于這種不正常的軸承失效現象需要深入研究和分析。

2 軸承失效原因查找與分析

引起滾動軸承失效的因素很多，例如軸承材質、制造缺陷，選型、安裝不當，潤滑不良，振動引起軸承磨損等，在分析軸承失效原因的過程中，往往會碰到很多錯綜復雜的現象，從這些現象中獲取的信息可能存在相互沖突或者主次不清，分析起來不易判斷，這需要經過反復驗證，以獲得足夠的證據或反證，因此需對失效軸承的信息進行收集，然后再分析失效原因。

2.1 對失效軸承的實物和背景資料進行收集

失效軸承的有關實物和資料是進行軸承失效分析的重要依據，資料收集越多，越有利于查找軸承失效的原因，因而收集的資料應盡可能全面，這些資料主要包括：

①失效軸承的實體、殘片，形貌特征圖片，這些是進行失效軸承表征分析的最直接資料；

②失效時是否有溫度的急劇增加或冒煙，是否有噪聲及振動，地腳螺栓是否松動，軸對中情況如何；

③軸承的潤滑情況，包括潤滑劑的牌號、成分、顏色、粘度、雜質含量、補充或更換情況等，并收集其沉淀物；

④安裝記錄，在安裝軸承前，軸承與軸和軸承座的配合檢查記錄，軸對中檢查記錄；

⑤拆卸記錄，軸承與軸和軸承座的配合，軸承軸向緊固零件的松緊程度；

⑥軸承的密封情況，是否可能有水和其他雜質污染源進入；

⑦軸承的運轉記錄，軸承的旋轉音、振動、溫度，以及其變化趨勢，運轉使用過程中有無不正常操作，是否檢查過軸對中，記錄如何；

⑧同批或同類軸承的失效情況。

根據這些要求對失效軸承進行了資料收集，根據收集的信息，這些失效軸承出現過以下特征：異常聲音、振動超標、軸承內圈凹坑，圓柱滾子有磨損、圓柱滾子軸承內圈與電機軸燒結融合。

在收集的過程中，也發現了部分資料缺失，主要是安裝記錄、潤滑情況、拆卸記錄等，這給軸承的失效分析帶來了一定影響。考慮到軸承失效的根源還沒找到，軸承失效的情況還會發生，為了完善資料的收集，要求檢修維護人員在軸承安裝、運行、拆卸前、拆卸中、拆卸后必須根據這些要求記錄有關信息。

2.2 對失效軸承進行分析

根據收集到的軸承失效特征可以初步判斷軸承可能存在以下一些失效形式：

①點蝕，由于潤滑不良，在滾動接觸應力的循環作用下，形成應力集中，使滾動接觸面產生微觀裂紋，并逐漸發展成呈分散或群集狀的細小凹坑；

②磨損，由于細微顆粒物進入軸承或潤滑不良，在滑動摩擦的作用下，滾動接觸面或引導面處金屬表面材料被磨掉，呈磨合狀的淺溝槽，表面光亮；

③燒附，由于預緊力過大、軸承游隙過小，潤滑不良，軸承高速運轉，使滾動體受熱膨脹后接觸表面摩擦產生急劇溫升，出現金屬熔融現象，造成相互接觸的表面上粘附有被遷移的熔融性材料；

④電蝕，由于電流通過軸承時，擊穿油膜，產生高溫，出現金屬熔融現象，使金屬表面局部熔融形成不規則凹坑或溝蝕，凹坑呈斑點、密集斑點、小凹坑狀，溝蝕呈洗衣板狀。

雖然通過這些分析已把軸承的失效形式收窄到了一定范圍內，但因為失效形式和失效過程如此復雜，這些失效軸承樣品的形貌，或是由于失效程度嚴重，已經把部分的失效形貌掩蓋或改變了，露出來的只是軸承最終咬死、燒壞、破碎的軸承零件的殘骸，或是由于失效程度較輕，表現不出失效的形式和過程，導致了很容易混淆軸承損壞的根本原因，因而還沒有最終定論，為了找出原因，加強軸承各個階段的信息收集，于2012年5月底，監測發現6#機的電機軸承噪音和振動逐步在擴大，因而對地腳螺栓、軸對中情況、軸承的潤滑情況進行了排查，沒有發現存在問題。為了使失效特征更明顯，這臺機暫時不停下來檢查，采用了一個衡量標準，在軸承振動超過6mm/s后，再進行軸承拆解檢查，但在這個過程中進行了嚴格頻密的狀態監測，一旦發現振動、溫度、噪音迅速升高，就必須停機，避免嚴重事故發生。2012年7月2日軸承振動超過6mm/s，對6#電機進行了停機檢查，發現電機尾端定子線圈有電暈放電痕跡以及電機前后端軸承內圈有明顯搓衣板式電蝕劃痕，如圖1。可以判斷為軸電流引起電蝕。

3 軸電流產生的原因和形貌特征

當轉軸兩端之間或軸與軸承之間存在電壓時，這種電壓稱為軸電壓，當軸電壓較低時，由于轉軸與軸承間有潤滑油膜的存在，起到絕緣的作用，不會產生軸電流。但當軸電壓增加到一定數值時，尤其在電動機啟動時，軸承內的潤滑油膜還未穩定形成，軸電壓將擊穿油膜，一旦轉軸及機座、殼體之間絕緣層失效，形成通路，就會產生軸電流。一般電機軸壓產生的原因有以下幾種：

①當電機運行時，由于定子與轉子空氣間隙不均勻等，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，有交變磁通切割轉軸，在軸的兩端感應出軸電壓；

②逆變供電產生軸電壓；

③靜電感應產生軸電壓；

④外部電源的介入產生軸電壓。

當軸電流產生后，電流在軸承上通過，由于滾柱或滾珠在軸承圈的跑道上滾動和輾壓跑道時，在輾壓接觸地方，接觸電阻很小，并將潤滑脂擠向兩側，當滾動體將要離開原位置時，產生小間隙，滾道與滾子之間的接觸面被阻斷，就會產生電弧，并在局部產生高溫，兩邊都會留下蝕點，最終將滾道表面燒成像搓板樣的線條狀凹槽痕跡，當滾動體繼續轉動時，因輾壓使凹槽壓平、壓光，滾道表面會變得光亮，噪音和振動也就隨之出現，如6#電機軸承內外圈跑道上有像搓板樣的條形燒傷痕跡，這是軸電流對滾動軸承破壞的共同特征。如果高強度電流發生大幅度變化，會引起更為嚴重的損傷，并導致在滾道與滾子或滾珠之間、軸與軸承內圈之間發生金屬熔接，如4#調速電機聯軸器端軸承金屬熔接。

4 改進措施

為消除軸電流的產生，采用了在非聯軸器端的軸承座和軸承支架處加絕緣墊圈，并對軸承的固定螺栓進行絕緣，以隔斷軸電流的通路。從2012年9月，對6#電機采用這種方法處理后，軸承使用至今運行正常，其余各電機也采用這種處理方法，軸承運行正常，再也沒有出現過故障。為了防范未然，要求檢修運行人員定期檢查軸承座的絕緣強度，在電機每次檢修前后也要檢查軸承座的絕緣強度，保證絕緣不得低于0.5MΩ。

通過對該四臺電機軸承座和軸承支架處加絕緣墊圈的改造，消除了軸電流，至今運行良好，取得了較好的經濟效益和社會效益。