化工高壓電機滾動軸承失效分析與改進*

段志宏，叢廣佩，李偉明，言 理

0 前言

軸承的失效分析需要對軸承有深入全面的了解，又需要對電機的整體結構有深刻的認識，同時還要了解電機驅動系統的負載情況、工作環境等[1]。由于內圈的曲率半徑小于外圈的曲率半徑，內圈需要承載比外圈更多的接觸強度，根據參考文獻[2]中對滾動軸承做的大量實驗，軸承內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，某化工廠加熱爐進料泵P102/2電機側軸承部位打火花，在準備切換備用泵時，對輪聯軸器飛出，導致電機軸承損壞，電機軸、泵軸彎曲，該進料泵型號為4WTB-143，功率為360 kW，流量為280 m3/h，轉速為3 000 r/min，出廠日期是2003年8月。其電機型號為YB450M1-2THWF1，功率為450 kW，電壓為6 000 V，額定電流為52.1 A，轉速為3 000 r/min，生產時間是2004年5月。

進料泵P102/2自運行以來，軸承振動及溫度變化都很平穩。2017年12月7日凌晨5∶50左右，操作班組人員巡檢發現電機側軸承部位打火花，同時變電所過負荷動作顯示相符。

圖1 電機軸彎曲、軸承損壞

對P102/2泵進行拆解檢查（圖1、2），發現電機驅動端軸承損傷嚴重，保持架完全斷裂散架，電機軸90°彎曲，對輪損壞，泵軸彎曲。

為了防止該類事故再次發生，作者對軸承進行了失效分析，并提出安全運行措施。

圖2 對輪損壞，泵軸彎曲

2 工業電機常見軸承故障失效原因與分析

對軸承故障失效分析需對軸承有深入全面的了解，同時也需要了解設備的整體機構，其中有驅動系統的實際作用負載情況、電機現場工作環境（包括溫度、潤滑、潤滑污染情況等）等[3]。故滾動軸承失效的原因多種多樣，而從故障的表現形式分析原因，主要可分為下面幾種。

2.1 軸承疲勞導致失效

在正常的運行狀態下，滾動軸承一般在內外滾道和滾子表面承受較大的載荷，同時又發生相對運動，因此軸承會受到一個周期性的交變載荷。而工業電機又多是長時間、滿負荷運行，交變應力則不斷的循環，當交變應力達到一定的數值后疲勞裂紋就會產生，繼續運轉則會產生剝落。疲勞剝落是軸承失效的主要形式，當軸承發生疲勞剝落，如不及時處理，就會發生沖擊載荷、造成極大安全事故[4]。

2.2 軸承磨損導致失效

工業電機一般使用保持架為內圈和外圈引導滾子，而新的軸承滾道和滾動體表面都會有一定的粗糙度，運行承載后，滾子會與內外圈產生負荷軌跡，從而產生磨損。當轉速達到一定范圍時，保持架的外沿(或者內沿)也會與軸承內外圈發生摩擦，這就會形成磨銅粉現象[1]。如果滾道和滾子之間產生較硬的顆粒，可能會引起局部摩擦過熱，導致局部變形，甚至局部金屬融化，造成軸承報廢。

2.3 軸承潤滑不當導致失效

軸承潤滑問題是電機正常運轉的重要一環，對軸承的正常運轉有著極其重要的影響，主要起潤滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等作用。潤滑劑可保證滾道表面潤滑需要的油膜厚度，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轉。如果電機上的軸承潤滑效果不良，導致溫度過高，就可能發生燒毀軸承事故[5-6]。

可以看到，無論哪種原因誘發的軸承快速失效，最終都是以裂紋、磨損等局部缺陷影響軸承關鍵零件，如內圈、外圈等，最終導致設備故障失效，因此通過分析各零件缺陷參數對于故障頻率及故障模式的影響，從而直接識別導致故障失效的關鍵參數，并根據該參數制定合理的故障管控方案，實現安全運行。

3 試驗分析及其結果

3.1 軸承壽命實驗平臺

本實驗平臺源于杭州軸承實驗中心的軸承壽命強化試驗機ABLT-1A。其中電機旋轉范圍1 000～10 000 r/min±2%，能使實驗軸達到設計的轉速。而加載系統提供實驗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%。潤滑系統可以讓實驗軸承充分潤滑。計算機監控系統則實時記錄實驗溫度和所采集到的振動信號，并控制機器在發生溫度或振動等異常狀態下即時停機。

3.2 實驗方案與流程

在本實驗中所用到的所有軸承均為單列深溝球軸承6210，其主要的幾項參數如表1所示，實驗中的主要實驗條件如表2所示。

表1 6210軸承的主要參數

表2 主要實驗條件

本文所做實驗通過溫度、振動傳感器來采集信號，所安裝的傳感器的位置，便于更加準確地監測軸承的狀態。其中主要的操作流程如下。

（1）本實驗開始時在軸上裝上4個軸承，如圖3。

（2）因6210滾動軸承為脂潤滑，而某石化廠現場工況為油潤滑，故加熱潤滑油浸泡，再用汽油清洗軸承，確保完全去除潤滑脂，以達到生產現場工況。

（3）根據需要采集的數據，依次調試各傳感器，使各傳感器都達到最佳狀態，然后運行機器，打開采集系統設置各采集參數，開始記錄運行數據。

（4）定期查看軸承實驗機的運行狀況，通過觀察RMS值、峰值因子和峭度來判斷軸承的運行狀態。

（5）當4個軸承中任意一個軸承發生故障，達到預設的參數，實驗機就會報警并自動停止，然后拆下檢查軸承的損壞情況。

本次實驗所用到的故障軸承，以保持架與內圈為主要故障形式，如圖4所示。

圖3 實驗軸承

圖4 保持架與內圈損傷的軸承

3.3 數據分析

本次試驗，每組軸承運轉約24小時，得到1 400個數據，去除磨合期的異常數據后保留1 000個數據，根據設計的各種故障類型采集到的均方根值得到折線圖（截取運行平穩后的100個均方根值（ms-2）數據）。其實驗結果如圖5～7所示，其中內圈在長×寬×深（8 mm×2 mm×0.5 mm）的缺陷影響下，僅運行了五分鐘就超過預設報警值跳停，拆卸檢查，軸承無明顯擴展，重新安裝運行，僅30秒即停機，重復二次均為同樣結果。

由圖5可知，當保持架損傷較輕微時，與正常的振動數據并沒有太明顯的區別；圖6則表明，隨著軸承保持架的損傷變得嚴重，其振動的均方根值也隨之增大；圖7可看出，即使保持架斷裂了，軸承仍然可運行一段時間，而內圈輕微損傷的軸承的振動值就很明顯了；再結合內圈2處損傷長×寬×深（8mm×2mm×0.5mm）的振動達到閾值跳停，初步判斷內圈損傷達到一定程度時，可能導致軸承在短時間內突然損壞。

圖5 正常軸承與1條0.3 mm深裂紋軸承的振動數據折線圖

圖6 1條0.5 mm深裂紋軸承與4條0.5 mm裂紋軸承的振動數據折線圖

圖7 保持架4條斷裂軸承與內圈2處0.3 mm深磨損軸承的振動數據折線圖

3.4 實驗結果

通過數據分析可知，軸承保持架雖然起到引導并帶動滾動體在正確的滾道上滾動，并將滾動體等距離隔開的作用，以防止工作時滾動體間互相碰撞和摩擦，但是由于其并沒有受到徑向力的作用，保持架在沒有受到嚴重損傷或斷裂之前，其振動信號并不會很明顯，常被其他振動信號所淹沒，當軸承架上的裂紋較深或發生斷裂后，振動信號會有明顯的變化，但是仍可平穩運行一段時間，因此，其安全監控策略可以制定為運行期間需留意機組的變化情況，隨時應對突發的情況[7]，在未監測到異常變化的情況下可以待到計劃停機時再進行維修。

而對于內圈缺陷，即使輕微磨損也會引起較大的振動信號，并伴有明顯異常的摩擦噪聲，如果出現這樣的振動信號并伴有異常雜聲，可以判定很大概率會出現突發停機，應降低負荷直到振動恢復正常范圍，在條件允許的情況下，應盡可能停機進行檢修，以免引起不必要的經濟損失。

4 結論

在實際生產中，應做好巡查工作，并定期養護，避免軸承內圈受到異物損傷或潤滑不良磨損，還需要設置合理的報警值，為事故預留足夠的反應與處理時間。

參考文獻：

［1］王勇.工業電機中的滾動軸承失效分析［J］.電機與控制應用，2009，36（9）：38-43.

［2］ T.Williams， X.Ribadeneira， S.Billington， et al.Rolling element bearing diagnostics in run-to-failure life?time testing［J］.Mechanical Systems and Signal Pro?cessing， 2001，15（5）：979-993.

［3］王勇.工業電機中的滾動軸承噪聲［J］.電機與控制應用，2008（6）：38-41.

［4］劉新宇.工業電機的滾動軸承故障及維修措施探析［J］.科技創新與應用，2016（5）：140-140.

［5］夏曉林.電機滾動軸承異常振動噪聲的分析及處理［J］.工業設計，2011（9）：104-104.

［6］姚建文.常用設備潤滑技術［M］.北京：科學技術文獻出版社，1991.

［7］李偉明，陳媛芳，叢廣佩，等.基于傳感器的齒輪振動監測與維修決策研究［J］.機電工程技術，2017，46（05）：43-46.