高轉速電機軸承失效故障解析

關俊峰

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，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，轉速2940 r/min。系統共有4臺冷凝水泵，無備用。年修期間，對冷凝水泵前后軸承進行更換，更換某品牌軸承，投入運行后，連續運轉2個月，維護人員發現3臺冷凝水泵運行聲音異常，通知維護人員到達現場檢查，通過聽針判斷，聲音來自電機非驅動端，電機振動、溫度均在標準范圍內（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℃），聲音連續均勻，現場分析運行情況，判斷聲音出自電機非驅動端軸承，軸承有損傷，停機處理。冷凝水泵屬連續運行關鍵設備，立刻停機，影響生產。通過解體，軸承清洗檢查，冷凝水泵非驅動端滾珠軸承（6209-2RS-C3）內滑道有損傷，出線麻坑，電機運行時，滾珠與損傷的滑道摩擦，發出異音，破損的部分污染油脂，因轉速較高，聽針聽出聲音連續。軸承內滑道出線麻坑是造成冷凝水泵電機出現異音的直接原因。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，運行短時間內滾道出現麻坑，鋼體剝落，無法滿足較高轉速連續運行工況是造成冷凝水泵電機出現異音的主要原因。因其故障存在頻發性，所以深入分析軸承設計結構、參數，為何無法滿足現場工況，對今后軸承選型及應用工況有更好的了解，對避免此類故障的發生具有指導及借鑒意義。

1 軸承故障現象

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

2 軸承失效的原因分析

（1）根據此次應用軸承的設計參數說明，分析失效的軸承屬于低速重載系列軸承，它在設計之初就在滾道的曲率和球徑以及內部結構等方面都進行了優化特殊改進，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數值小于低速軸承，并且內外溝道的曲率系數也相應的減少，由0.525變為0.515。設計中心徑同時也會增加0.05 mm，相應的軸承振幅、振速和振動加速度都會改變，在承受預載荷旋轉的時候鋼球會很規則的沿著滾道滾動，當其不承受預載荷高速旋轉的時候，鋼球極有可能與滾道產生滑動摩擦，滾動軸承套圈各滾動體表面在接觸應力的反復作用下，滾動表面金屬呈點狀或片狀剝落，造成軸承失效。軸承轉速＜3000 r/min，可承受較大載荷，一般用于蝸輪蝸桿，農業機械，反復懸擺機構等。一般把承載大小定義為向心軸承徑向當量動載荷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。一般設計是fi=0.515，fe=0.525，它在高速場合和有側擺要求的場合曲率系數是不同的。

（2）曲率參數選取有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，馬達陀螺等要求精度，摩擦力矩和靈敏度應R放大，r較小；③高轉速電機等應選取R較大，r一般的系數。日本長崗對溝曲率做了很多實驗，得到結論最佳數據是R/r=0.512/0.5384，實驗數據表明R/r=0.508/0.530是最佳。軸承研究所對25個規格600套軸承5種曲率進行研究實驗，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驗精心設計而成，把內圈稱之為代碼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，內溝曲率r。在軸承應用過程中02旋轉01靜止與01旋轉02靜止的物理狀態有著很大區別。

（3）通過有限元分析得出結論，δR的取值在02旋轉狀態時趨近δr，但不小于δr時候軸承運行狀態呈對數曲線變化，04在承受疊加載荷并傳導力的同時會產生一個物理變形，通過材料的力學性能可得知，當一條長度為L、截面積為S的金屬絲在力F作用下伸長ΔL時，F/S叫應力，其物理意義是金屬絲單位截面積所受到的力；ΔL/L叫應變，其物理意義是金屬絲單位長度所對應的伸長量。應力與應變的比叫彈性模量。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，單軸應力和單軸形變之間的比。與彈性模量是包含關系，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 之間可以進行換算，公式為：E=2G（1+v）=3K（1-2v），表達式E＝σ/ε。應用大型邊界元應力分析程序（BEAP-2）對彈性變形及接觸應力進行計算（赫茲假定）04彈性變形，設計基準R變化數值增加為R'，假設R'＝R+n，Φ不變，用R'的數據球通過紅丹粉刮色或曲率樣板，計算機輔助等技術手段觀察，得到各應力點狀態的更多信息。

（4）0.510/0.510組應力最小，即兩物體密合面最好，理應屬于最佳，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，潤滑油越不容易進入接觸區，潤滑條件的惡化必然導致摩擦力矩的增大，旋轉不靈活，產生較大滑動，從而造成軸承疲勞壽命降低。因此，適當增大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。設計中心徑同時也會增加0.05 mm，相應的軸承振幅、振速和振動加速度都會改變，經過檢測軸承尺寸和旋轉精度公差符合GB/T307.1和JB/T10336相關要求，但未能滿足電機用軸承JB/T8880標準要求，即振動至少達到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（力等于質量乘以加速度）并且因為力在更高頻率時有破壞性。另外軸承在承受預載荷旋轉的時候鋼球會很規則的沿著滾道滾動，當其不承受預載荷高速旋轉的時候，鋼球極有可能與滾道產生滑動摩擦，滾動軸承套圈各滾動體表面在接觸應力的反復作用下，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，農業機械，往復懸擺機構等。

3 結論

（1）通過分析總結，對軸承機構及設計參數有了足夠的了解，針對具體軸承型號參數具體分析選型，服務于生產。

（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，早發現早處理。

（3）軸承的設計區別決定了每個軸承的應用場合，即使同型號的軸承根據轉速不同，應用適合的負載也不相同，所以對軸承的深入剖析，有助于在今后的生產中根據工況選擇適合的軸承，舉一反三，而不是千篇一律。