高轉(zhuǎn)速電機軸承失效故障解析

關(guān)俊峰

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

0 引言

某公司冷凝水泵電機為低壓三相異步電機，功率18.5 kW，轉(zhuǎn)速2940 r/min。系統(tǒng)共有4臺冷凝水泵，無備用。年修期間，對冷凝水泵前后軸承進(jìn)行更換，更換某品牌軸承，投入運行后，連續(xù)運轉(zhuǎn)2個月，維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)3臺冷凝水泵運行聲音異常，通知維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場檢查，通過聽針判斷，聲音來自電機非驅(qū)動端，電機振動、溫度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（機前振動：水平1.1 μm，垂直 0.9 μm；機后：水平 1.8 μm，垂直 2.5 μm。機前溫度 58 ℃，機后溫度48℃），聲音連續(xù)均勻，現(xiàn)場分析運行情況，判斷聲音出自電機非驅(qū)動端軸承，軸承有損傷，停機處理。冷凝水泵屬連續(xù)運行關(guān)鍵設(shè)備，立刻停機，影響生產(chǎn)。通過解體，軸承清洗檢查，冷凝水泵非驅(qū)動端滾珠軸承（6209-2RS-C3）內(nèi)滑道有損傷，出線麻坑，電機運行時，滾珠與損傷的滑道摩擦，發(fā)出異音，破損的部分污染油脂，因轉(zhuǎn)速較高，聽針聽出聲音連續(xù)。軸承內(nèi)滑道出線麻坑是造成冷凝水泵電機出現(xiàn)異音的直接原因。此軸承為6209-2RS-C3型軸承，年修期間更換此軸承，投運2個月，未到檢修周期，滾道局部剛性軟，運行短時間內(nèi)滾道出現(xiàn)麻坑，鋼體剝落，無法滿足較高轉(zhuǎn)速連續(xù)運行工況是造成冷凝水泵電機出現(xiàn)異音的主要原因。因其故障存在頻發(fā)性，所以深入分析軸承設(shè)計結(jié)構(gòu)、參數(shù)，為何無法滿足現(xiàn)場工況，對今后軸承選型及應(yīng)用工況有更好的了解，對避免此類故障的發(fā)生具有指導(dǎo)及借鑒意義。

1 軸承故障現(xiàn)象

通過解體檢查，冷凝水泵非驅(qū)動端滾珠軸承（6209-2RSC3）內(nèi)滑道有損傷，鋼層脫落，出線麻坑，電機運行時，滾珠與損傷的滑道摩擦，發(fā)出異音，破損的鍍層污染油脂，因轉(zhuǎn)速較高，聽針聽出聲音連續(xù)。軸承內(nèi)滑道出線麻坑是造成冷凝水泵電機出現(xiàn)異音的直接原因。圖1。

2 軸承失效的原因分析

（1）根據(jù)此次應(yīng)用軸承的設(shè)計參數(shù)說明，分析失效的軸承屬于低速重載系列軸承，它在設(shè)計之初就在滾道的曲率和球徑以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面都進(jìn)行了優(yōu)化特殊改進(jìn)，不同速度的軸承的滾動體直徑Dw與滾道直徑的比值是不同的，即δ值，高速軸承的δ數(shù)值小于低速軸承，并且內(nèi)外溝道的曲率系數(shù)也相應(yīng)的減少，由0.525變?yōu)?.515。設(shè)計中心徑同時也會增加0.05 mm，相應(yīng)的軸承振幅、振速和振動加速度都會改變，在承受預(yù)載荷旋轉(zhuǎn)的時候鋼球會很規(guī)則的沿著滾道滾動，當(dāng)其不承受預(yù)載荷高速旋轉(zhuǎn)的時候，鋼球極有可能與滾道產(chǎn)生滑動摩擦，滾動軸承套圈各滾動體表面在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，滾動表面金屬呈點狀或片狀剝落，造成軸承失效。軸承轉(zhuǎn)速＜3000 r/min，可承受較大載荷，一般用于蝸輪蝸桿，農(nóng)業(yè)機械，反復(fù)懸擺機構(gòu)等。一般把承載大小定義為向心軸承徑向當(dāng)量動載荷Pr與徑向額定動載荷Cr的比值。

圖1 軸承損傷情況

載荷大小比 Pr/Cr。輕載荷≤0.07δ；正常載荷＞（0.07～0.15）；重載荷＞0.15。

為使軸承的基本額定壽命恰好為100萬轉(zhuǎn)時，軸承所能承受的載荷值，稱為軸承的基本額定動載荷。一般設(shè)計是fi=0.515，fe=0.525，它在高速場合和有側(cè)擺要求的場合曲率系數(shù)是不同的。

（2）曲率參數(shù)選取有3方面因素：①精密機床，主軸等要求振動和噪聲選取較小的R/r；②儀器儀表，馬達(dá)陀螺等要求精度，摩擦力矩和靈敏度應(yīng)R放大，r較小；③高轉(zhuǎn)速電機等應(yīng)選取R較大，r一般的系數(shù)。日本長崗對溝曲率做了很多實驗，得到結(jié)論最佳數(shù)據(jù)是R/r=0.512/0.5384，實驗數(shù)據(jù)表明R/r=0.508/0.530是最佳。軸承研究所對25個規(guī)格600套軸承5種曲率進(jìn)行研究實驗，最后得出3種軸承最為理想精度要求高的選取R/r=0.51/0.52，高速輕載，摩擦力矩低，選R/r=0.51/0.53，適中的選R/r=0.515/0.525。眾所周知，軸承設(shè)計要約束滾動體沿既定的軌道運行，這個既定的軌道就像車轍，這個車轍的寬度與深淺是否平滑等，都憑著多年的實踐經(jīng)驗精心設(shè)計而成，把內(nèi)圈稱之為代碼02，外圈代碼01，保持器代碼為07，滾動體代碼為04，溝底尺寸Φ，外溝曲率R，內(nèi)溝曲率r。在軸承應(yīng)用過程中02旋轉(zhuǎn)01靜止與01旋轉(zhuǎn)02靜止的物理狀態(tài)有著很大區(qū)別。

（3）通過有限元分析得出結(jié)論，δR的取值在02旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時趨近δr，但不小于δr時候軸承運行狀態(tài)呈對數(shù)曲線變化，04在承受疊加載荷并傳導(dǎo)力的同時會產(chǎn)生一個物理變形，通過材料的力學(xué)性能可得知，當(dāng)一條長度為L、截面積為S的金屬絲在力F作用下伸長ΔL時，F(xiàn)/S叫應(yīng)力，其物理意義是金屬絲單位截面積所受到的力；ΔL/L叫應(yīng)變，其物理意義是金屬絲單位長度所對應(yīng)的伸長量。應(yīng)力與應(yīng)變的比叫彈性模量。ΔL是微小變化量。楊氏模量（Young's modulus），又稱拉伸模量（tensile modulus），是彈性模量（elastic modulus or modulus of elasticity）中最常見的一種。楊氏模量衡量的是一個各向同性彈性體的剛度（stiffness），定義為在胡克定律適用的范圍內(nèi)，單軸應(yīng)力和單軸形變之間的比。與彈性模量是包含關(guān)系，除了楊氏模量以外，彈性模量還包括體積模量（bulk modulus）和剪切模量（shear modulus）等。Young's modulus E，shear modulus G，bulk modulus K和 Poisson's ratio ν 之間可以進(jìn)行換算，公式為：E=2G（1+v）=3K（1-2v），表達(dá)式E＝σ/ε。應(yīng)用大型邊界元應(yīng)力分析程序（BEAP-2）對彈性變形及接觸應(yīng)力進(jìn)行計算（赫茲假定）04彈性變形，設(shè)計基準(zhǔn)R變化數(shù)值增加為R'，假設(shè)R'＝R+n，Φ不變，用R'的數(shù)據(jù)球通過紅丹粉刮色或曲率樣板，計算機輔助等技術(shù)手段觀察，得到各應(yīng)力點狀態(tài)的更多信息。

（4）0.510/0.510組應(yīng)力最小，即兩物體密合面最好，理應(yīng)屬于最佳，但其實不然，道理是忽略了潤滑這個重要因素，溝曲率越小，鋼球與滾道的吻合度越好，潤滑油越不容易進(jìn)入接觸區(qū)，潤滑條件的惡化必然導(dǎo)致摩擦力矩的增大，旋轉(zhuǎn)不靈活，產(chǎn)生較大滑動，從而造成軸承疲勞壽命降低。因此，適當(dāng)增大R的取值改善軸承的潤滑，就可以提高軸承的疲勞使用壽命。設(shè)計中心徑同時也會增加0.05 mm，相應(yīng)的軸承振幅、振速和振動加速度都會改變，經(jīng)過檢測軸承尺寸和旋轉(zhuǎn)精度公差符合GB/T307.1和JB/T10336相關(guān)要求，但未能滿足電機用軸承JB/T8880標(biāo)準(zhǔn)要求，即振動至少達(dá)到Z3V3要求，V3是振動值，Z3是噪聲值。振動加速度是振動力的體現(xiàn)（力等于質(zhì)量乘以加速度）并且因為力在更高頻率時有破壞性。另外軸承在承受預(yù)載荷旋轉(zhuǎn)的時候鋼球會很規(guī)則的沿著滾道滾動，當(dāng)其不承受預(yù)載荷高速旋轉(zhuǎn)的時候，鋼球極有可能與滾道產(chǎn)生滑動摩擦，滾動軸承套圈各滾動體表面在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，其滾動表面金屬從金屬基體呈點狀或片狀剝落下來，造成軸承失效。這種軸承轉(zhuǎn)速一般＜3000 r/min，但它可承受較大的載荷，一般用于渦輪蝸桿，農(nóng)業(yè)機械，往復(fù)懸擺機構(gòu)等。

3 結(jié)論

（1）通過分析總結(jié)，對軸承機構(gòu)及設(shè)計參數(shù)有了足夠的了解，針對具體軸承型號參數(shù)具體分析選型，服務(wù)于生產(chǎn)。

（2）透過故障分析，利用原理，可提前判斷軸承性能的劣化程度，早發(fā)現(xiàn)早處理。

（3）軸承的設(shè)計區(qū)別決定了每個軸承的應(yīng)用場合，即使同型號的軸承根據(jù)轉(zhuǎn)速不同，應(yīng)用適合的負(fù)載也不相同，所以對軸承的深入剖析，有助于在今后的生產(chǎn)中根據(jù)工況選擇適合的軸承，舉一反三，而不是千篇一律。