離心風機球面滾子軸承失效分析

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球面滾子軸承因其具有承載能力高、自動調心、使用壽命長等特點，在電力、冶金、化工、鐵路、航空等行業領域得到了廣泛應用[1]，是旋轉機械中最常用的機械零件。滾動軸承的工作狀態直接影響整個設備的運行可靠性和安全性，但其使用過程中會受多種因素影響，易產生不同程度失效，如疲勞、磨損、變形、腐蝕、燒傷及保持架損壞等[2-3]。因此，對軸承進行失效分析，可有效預防故障，具有重要意義[4]。

1 故障分析背景

某核電站燃料廠房通風系統離心風機3DVK001ZV(以下簡稱A風機)、輔助給水泵房離心風機3DVG001ZV(以下簡稱B風機)均使用斯凱孚公司22213EK型球面滾子軸承，使用轉速分別為1 800 r/min和2 930 r/min，采用SKF LGWA 2鋰基脂。A風機于2016年2月份進行了油脂更換，3個月后補加潤滑脂。同年9月22日風機軸承發生故障，解體發現軸承及軸均已燒毀，油脂燒干。圖1所示為風機軸承外觀情況，軸承內、外圈及保持架均粘附有大量黑色硬質結焦顆粒；內圈外滾道表面有規律間隔的壓痕；保持架形狀嚴重變形，部分區域出現斷口(圖1(c)中箭頭處)。驅動軸端有銹蝕痕跡，非驅動端油脂有蠕化痕跡。風機前有冷卻盤管，盤管正對著風機驅動端，距離有1.5 m左右，夏季盤管中產生的冷凝水會飄灑到驅動端軸承處。

另外在進行B風機解體檢修過程中，發現潤滑脂已嚴重變質，軸承也有銹蝕痕跡。為弄清A風機軸承失效、B風機軸承潤滑不良的原因，對新脂、出現故障的在用脂以及損毀的軸承進行檢測與分析。

圖1 A風機驅動端軸承Fig 1 Drive end rolling bear of draught fan A (a) outer ring;(b) inner ring;(c) cage

2 檢測結果及分析

試驗樣品為：SKF LGWA 2新脂；A風機驅動端軸承室內黑色干焦狀的潤滑脂變質產物(圖2中圓圈內物質)；A風機非驅動端軸承在用潤滑脂；B風機軸承在用潤滑脂；B風機驅動端損毀軸承部件。

圖2 A風機驅動端軸承脂(已損毀)Fig 2 Drive end rolling bear grease of draught fan A

根據潤滑脂反映設備狀態的故障分析經驗[5]，對樣品進行檢測，以期根據檢測數據查找或推斷軸承故障原因。

2.1 SKF LGWA 2新脂分析

SKF LGWA 2脂是以礦物油為基礎油的復合鋰基潤滑脂，具有極壓性能。按SH/T 0535-93(2003)[6]標準中方法對新脂進行檢測，標準要求及檢測結果如表1所示。可以看出：(1)SKF LGWA 2新脂的燒結負荷較其典型值略有偏低；(2)新脂的燒結負荷、磨斑直徑及蒸發度均不符合行業標準。較高的磨斑直徑意味著潤滑脂的抗磨性能較差，這可能是導致軸承異常磨損的一個重要原因。

2.2 水分污染對潤滑脂抗磨性能的影響分析

考慮A風機驅動端中的潤滑脂已燒干變質，不適合進行水分及其他潤滑脂常規項目測試。因此設計模擬試驗研究水分的影響。試驗方案：向新脂中分別加入純凈水，配制水分質量分數為0.3%、0.5%、1%的潤滑脂樣品；對潤滑脂樣品進行摩擦磨損試驗。試驗結果如表2所示。

試驗結果表明：(1)因抗磨添加劑會與水發生反應，隨著潤滑脂中水分的增加，潤滑脂的抗磨性能明顯下降；(2)當水分質量分數達到1%時，潤滑脂油膜破裂，此時潤滑脂的抗磨性能受水分污染影響嚴重。

2.3 潤滑脂發射光譜元素分析

由于A風機非驅動端軸承(已損毀)潤滑脂已經干涸，無法測試光譜元素，因此僅對A風機非驅動端軸承潤滑脂、B風機軸承潤滑脂進行了光譜分析，同時與SKF LGWA 2新脂的光譜分析結果進行對比，如表3所示。

表3 發射光譜分析結果Table 3 Results of emission spectrum analysis 10-6

結果表明：(1)該潤滑脂中元素Li含量較高，表明皂基為鋰基，與SKF LGWA 2官方的產品介紹相符；(2)A風機非驅動端軸承和B風機軸承的在用脂中Fe元素含量較高，Fe元素通常來源于軸承部件的磨損，因此A、B風機軸承均發生了異常磨損；(3)A風機非驅動端潤滑脂中Mg、Ca、Si元素含量較高，可能來源于外部污染，不排除海水污染的可能。

2.4 潤滑脂鐵譜分析

分析式鐵譜主要檢測油脂中的磨損顆粒，根據磨粒的形貌、材質、尺寸、含量等對軸承的磨損程度及磨損類型進行評價[7]，并找出故障原因。

A風機驅動端軸承室內潤滑脂殘留物質的磨粒情況如圖3所示。譜片上含有黑色的干焦狀物質、橙黃色物質、粉塵及軸承磨損顆粒，干焦狀物質可能為潤滑脂燒干產生的積碳顆粒，橙黃色顆粒為銹蝕顆粒，表明潤滑脂受到了水分污染。

圖3 A風機驅動端軸承脂中的異常磨損顆粒Fig 3 Abnormal wear particle in drive end rolling bear grease of draught fan A

圖4所示為A風機非驅動端軸承中的磨粒情況。從鐵譜圖可以看出，該軸承潤滑脂中的磨損顆粒主要以疲勞顆粒和黏著擦傷顆粒為主，有個別顆粒表面有高溫氧化痕跡；此外還有少量銹蝕顆粒，表明軸承潤滑脂可能受到水分污染。圖5所示為B風機軸承潤滑脂的磨損顆粒，主要以疲勞顆粒和黏著擦傷顆粒為主，部分磨粒出現高溫氧化痕跡。

黏著擦傷顆粒一般出現在滑動或滾滑摩擦副中，其成因是在高載荷的作用下，相互接觸表面的微凸體發生變形，部分地方發生擦傷黏著。當摩擦副相對運動時，相互黏接的微凸體發生剪切或斷裂，形成了黏著擦傷磨損顆粒。當擦傷黏著情況較為劇烈時，將會造成摩擦點的局部高溫，使顆粒出現草黃色和藍色的高溫回火色，即圖中顆粒的高溫氧化痕跡。軸承潤滑脂中發現了較多的黏著磨損顆粒，且顆粒表面呈現草黃色和藍色的高溫回火色，表明該軸承發生了早期的黏著磨損。

綜上所述，對在用脂進行鐵譜分析發現：(1)A風機驅動端軸承潤滑脂可能受到水分污染，導致軸承出現銹蝕；(2)A風機非驅動端軸承中發現有高溫氧化顆粒與銹蝕顆粒，軸承可能受到水分污染，存在早期異常磨損；(3)B風機軸承潤滑脂中也發現有高溫氧化顆粒，軸承存在早期異常磨損。

圖4 A風機非驅動端軸承脂中的異常磨損顆粒Fig 4 Abnormal wear particle in non-drive end rolling bear grease of draught fan A

圖5 B風機軸承脂中的異常磨損顆粒Fig 5 Abnormal wear particle in rolling bear grease of draught fan B

2.5 電鏡能譜分析

由于A風機驅動端軸承潤滑脂已燒干變質，無法檢測潤滑脂常規項目，故利用電鏡能譜對該樣品進行分析。電鏡能譜分析可用于測試軸承摩擦表面的微觀形貌和微區化學成分，是開展接觸表面失效分析的重要檢測方法。分別對A風機驅動端軸承及其軸承室里的潤滑脂變質產物進行測試。

2.5.1 A風機驅動端軸承分析結果

圖6所示為A風機驅動端軸承掃描電鏡和能譜分析結果，各軸承部件元素質量分數如表4所示。

圖6 A風機驅動端軸承SEM照片及EDS圖Fig 6 SEM and EDS of drive end rolling bear of draught fan A (a) outer ring;(b) inner ring;(c) cage

表4 A風機驅動端軸承能譜分析結果Table 4 Energy spectrum analysis results of drive end rolling bear of draught fan A

圖6(a)所示為A風機驅動端軸承外圈表面微觀形貌及能譜分析結果，可見外圈表面損傷形貌以點蝕和犁溝為主[8]，有少量黏著磨損形成的凹坑，并密布有麻點，同時可以看到垂直于滾動方向有少量橫向裂紋，是因在疲勞磨損時，會在次表面形成裂紋源，裂紋在反復的應力作用下，會沿橫向擴展。故外圈主要磨損類型為黏著磨損和早期疲勞磨損。表4所示的外圈表面能譜分析結果表明：金屬元素Fe、Mn、Cr含量較高，為軸承鋼材料；元素C、O、Al、P、S為軸承脂及其添加劑殘留，其中O元素也可能是軸承摩擦高溫氧化的產物；元素Si分析可能是軸承脂受到污染，有異物侵入。

圖6(b)所示為軸承內圈表面微觀形貌及能譜分析結果，可見內圈表面較為平整，大面積黑色區域為潤滑脂殘留。內圈能譜分析結果與外圈基本相同，另有Zn元素存在，且含量較高，為軸承脂殘留，與電鏡結果相吻合。

圖6(c)所示為軸承保持架表面微觀形貌及能譜分析結果，可見保持架表面沉積有大量油泥積碳，無法對表面形貌進行詳細分析。能譜分析結果表明C、O元素含量較高，為潤滑脂殘留及其氧化物。

2.5.2 潤滑脂變質產物

因從軸承室中取到的潤滑脂已變質成干焦狀，無法有效對其分析。故將其浸于120號過濾汽油中，利用超聲波清洗處理后進行分析，SEM照片及EDS分析結果如圖7所示。

圖7 潤滑脂變質產物SEM照片及EDS圖Fig 7 SEM and EDS of grease metamorphism

從圖7中能譜分析結果可知：兩顆粒元素含量分布基本相同，C元素含量較高，為積碳顆粒，通常是潤滑劑在高溫下產生；同時還含有少量金屬元素Fe，來源于表面的鋼質磨損顆粒。

綜上所述，軸承的材料以Fe、Mn、Cr元素為主，為軸承鋼；軸承各部件表面均發現有高含量的C和O元素，為殘留的潤滑劑高溫氧化產物；軸承室內的潤滑脂變質產物主要為積碳，并含有鐵磨粒。

3 故障原因分析及解決措施

3.1 SKF LGWA 2在軸承中適應性分析

基礎油為礦物油的2#復合鋰基潤滑脂SKF LGWA 2的基本使用參數：(1)溫度范圍為-20～130 ℃；(2)轉速為中速，軸承速度因子n·dm=300 000 mm·r/min(n為額定轉速，dm=1/2(D+d),D為軸承外徑，d為軸承內徑)。

風機軸承速度因子驗證：

(a)A風機軸承

n·dm=n×0.5(D+d)=1 800×0.5(120+65)=

166 500<300 000 (mm·r/min)

(b)B風機軸承

n·dm=n×0.5(D+d)=2 930×0.5(120+65)=

271 025<300 000 r/min (mm·r/min)

故SKF LGWA 2可以滿足A、B風機軸承的使用要求，但當電機轉速達到2 930 r/min時，軸承速度因子指數接近其臨界值。

3.2 軸承故障綜合分析

根據上述檢測結果，在排除安裝因素、軸承質量等外部因素后，對可能引起軸承磨損故障的潤滑原因進行分析。

(1)檢測的SKF LGWA 2新潤滑脂樣品抗磨性能和蒸發損失不滿足OEM和石化行業標準SH/T 0535-93(2003)中的參數要求。潤滑脂抗磨性能差將難以在重負荷、沖擊負荷下，有效降低軸承的磨損磨損；蒸發損失大會導致潤滑脂在高溫條件下稠度增大、使用壽命縮短，難以在軸承摩擦副表面建立起有效的油膜。

(2)通過對在用潤滑脂的鐵譜分析可知：A風機軸承譜片上有銹蝕顆粒，表明潤滑脂受到水分污染。通過模擬試驗可知，混入水分會嚴重影響潤滑脂的抗磨性能，且軸承運行時，彈性流體動力潤滑油膜易遭到破壞，使得摩擦副表面形成干摩擦，溫度急劇升高。加之沒有定期向軸承中添加潤滑脂，導致軸承潤滑不良，發生高溫氧化，最終燒干潤滑脂，燒傷軸承。其中保持架在軸承工作時會承受較大的離心力和沖擊振動，缺少良好的潤滑會使其發生故障。長期在該條件下運行，最終導致保持架斷裂。B風機軸承因發現及時，避免了嚴重故障的發生，但其潤滑脂也發生了嚴重變質，同樣在譜片上發現了高溫氧化痕跡。

3.3 解決措施

在找出軸承失效原因后，現場采取下列措施：

(1)在軸承工作環境中，做好防水、防塵工作，杜絕外界對潤滑脂的污染。

(2)考慮SKF LGWA 2新脂抗磨性能較差，可能源于質量不合格或長時間存儲導致氧化導致性能衰減，對現場的SKF LGWA 2潤滑脂進行了全面檢測核對，內容包括產品質量指標、產品合格證、倉儲方式、生產及使用期限等，對不合格的新脂進行了處理。

(3)該類風機軸承若仍然使用“SKF LGWA 2”潤滑脂，但要做好日常巡檢，并定期加脂，采用少量多頻次加注的方式。每次加脂量根據SKF推薦定為：wp=0.005×D×B=0.005×120×31=18.6 g(B為軸承寬度)，加脂周期考慮環境因素定為2個月。

4 結論

(1)目前在用的SKF LGWA 2型潤滑脂可以滿足A、B風機軸承的使用要求，但現場儲存的新潤滑脂存在性能指標下降的情況，需對其進行檢測排查，選用符合使用要求的新脂對設備進行潤滑。

(2)引起風機軸承失效的可能原因：一是新脂的部分性能參數不足導致設備未得到良好潤滑；二是在用潤滑脂受到水分污染，抗磨性能急劇下降，不能在摩擦副表面形成足夠的油膜，導致摩擦副表面發生高溫氧化，促使潤滑脂失效，又未定期補加潤滑脂，磨損加劇，最終燒干潤滑脂，燒壞軸承。

(3)對故障軸承進行了更換修復，選用滿足要求的潤滑脂進行潤滑，采用少量多次的定期加脂方式后，設備運行恢復正常。