電動發電機組滾動軸承振動故障診斷分析

程彬 周淋 左雙龍 張昱瑩

摘要：在對某核電廠1號機組控制棒驅動機構電源系統（RAM）電動發電機組進行常規振動狀態監測過程中，發現2號發電機（1RAM002GE）驅動端滾動軸承存在尖銳異音，且振動水平在較短時間內有明顯上漲。通過對振動趨勢進行合理跟蹤，對頻譜結構進行對比分析，結合滾動軸承故障發展特點，成功診斷出故障原因為滾動軸承內圈存在磨損剝落缺陷。

Abstract： During the routine vibration condition monitoring of the control rod drive mechanism power supply system （RAM） electric generator set in ?Nuclear Power Plant， it was found that there was sharp abnormal sound in the rolling bearing of the drive end of No. 2 generator （1RAM002GE）， and the vibration level increased obviously in a short time. By tracing the vibration trend reasonably， comparing and analyzing the spectrum structure， combining with the characteristics of rolling bearing fault development， the failure reason was successfully diagnosed as wear and spalling defect of the inner ring of rolling bearing.

關鍵詞：滾動軸承;振動監測;頻譜分析;特征頻率

Key words： rolling bearing;vibration monitoring;spectrum analysis;characteristic frequency

中圖分類號：TH133.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0109-03

0 ?引言

核電廠運行需要電機、泵、風機等大量的轉動設備行使各類介質輸送功能，而對于這些旋轉設備而言，滾動軸承是非常重要且易損的元件之一。當滾動軸承零件表面發生損傷時，損傷的單元隨著滾動體與內圈、外圈之間交變力的作用，相互擠壓、磨損引起軸承較大的振動響應。根據軸承的損傷程度及損傷零部件的不同，反映在振動幅值和頻譜特征上也不盡相同。因此，核電廠運行維護人員可以通過跟蹤滾動軸承振動變化趨勢，識別特征頻率，來判斷滾動軸承的運行狀態，實現故障診斷的目的。

1 ?滾動軸承結構及振動特征

典型的滾動軸承結構如圖1，由滾動體、保持架、外圈、內圈四個結構部件組成。通常外圈裝配在軸承座上，內圈裝配在軸頸上，外圈固定，而內圈隨軸頸旋轉。根據滾動體的結構不同，滾動軸承可分為深溝球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承等，可根據載荷的不同應用于不同安裝場景。

滾動軸承的功能和結構特點決定了，各結構件在運行過程中經常會承受交變載荷。即使正常安裝且合理維護的軸承，在運行一段時間后，也可能會出現疲勞剝落或表面磨損等各種形式的缺陷。

由于軸承的旋轉特性，當某個結構件發生缺陷后，會在振動頻譜上產生表征該結構件缺陷的特征頻率分量。各結構件的特征頻率計算公式見表1。

在實際的滾動軸承故障診斷中，診斷工程師通過振動分析診斷儀器，分析識別滾動軸承的實際振動頻率并與計算的特征頻率進行對比分析。識別測量頻率中某個結構部件的特征頻率，以此判斷滾動軸承可能的缺陷部位，然后根據該頻率分量的幅值大小及變化趨勢判斷缺陷的嚴重程度。

2 ?故障背景介紹

2.1 設備參數簡介

在機組正常運行時，控制棒驅動機構電源系統（RAM）為控制棒驅動機構供電。該系統為交流電動機驅動的交流發電機系統，輸出電壓為260V。在結構上，聯軸器位置設計有慣性飛輪，在電網瞬時失電時，可維持一定時間的供電輸出。該系統由兩列電動發電機組構成的，正常情況下兩列同時運行，其中一列正常供電，另外一列保持熱備用。

電動機與發電機采用柔性連接，兩者位于共同的支撐基座上，支撐基座靠地腳螺栓安裝在基礎上，設備結構及測點布置如圖2 。

異步電動機參數：型號Y2-315M-4/135W，鼠籠式三相異步電動機，額定轉速1485r/min，滾動軸承型號SKF-6319;

同步發電機參數：型號TFWS100-4/100W，無刷勵磁，額定轉速1500r/min，滾動軸承型號：驅動端SKF-NU322ECJ/C3;非驅動端6324/C3。

2.2 故障問題描述

電廠巡檢人員在進行設備狀態檢查時，發現2號發電機（1RAM002GE）驅動端軸承存在惡劣的噪音，且軸承端蓋位置有黑色油脂甩出。使用便攜式振動分析儀Dynamix2500采集記錄設備振動數據，見表2。

各測點振動均符合標準要求，但是與歷史測量值比較，發電機驅動端垂直向（GBD-V）振動由1.8mm/s上漲為3.4mm/s，漲幅較為明顯。為改善軸承運行噪音，緩解甩油對軸承潤滑造成的不良影響，防止振動狀態惡化，維修專業對該軸承進行了補油處理。

在后續對該軸承的振動狀態監測中，發電機驅動端垂直向（GBD-V）的振動值持續上漲（圖3），在三周內上漲至6.2mm/s，漲幅明顯且上漲速率較快，超過了廠家提供的設備運行維護手冊及國標GB/T-6075.3要求的4.5mm/s的振動限值，需停機進行檢修。

3 ?原因分析和故障診斷

3.1 原因分析

查看監測的振動數據，通過GBD-V測點的瀑布圖（圖4）可以發現，在軸承振動變化過程中，頻譜結構并未發生明顯變化，各頻率分量的整體上漲及某些頻率分量的大幅上漲是引起該測點振動上漲的主要因素。

結合該測點的頻譜圖（圖5）分析，引起軸承振動上漲的主要頻率分量為422.8Hz及其左右轉速邊帶。其中，422.8Hz的幅值由0.54mm/s上漲至4.43mm/s，其右轉速邊帶頻率447.6Hz的幅值由1.24mm/s上漲至2.18mm/s。因此，有效判斷422.8Hz頻率分量的產生因素是后續故障診斷的關鍵。

進一步分析，422.8Hz頻率分量為211.3Hz的2倍諧波，且頻譜結構中還存在211.3Hz的3倍、4倍諧波分量，所以需首先確認211.3Hz的來源。

該設備的工頻為24.85Hz，211.3Hz為其工頻振動的8.5倍（非整數倍），通過診斷經驗，可以排除轉子不平衡、聯軸器對中偏差、設備基礎安裝不規范等結構性缺陷。結合前期發電機驅動端軸承室甩出的油脂較黑，且軸承運行噪音劇烈，初步分析引起211.3Hz及其相關頻率分量上漲的原因可能為軸承缺陷。

查詢技術規范書，設備驅動端軸承型號為SKF-NU322ECJ/C3，根據SKF滾動軸承手冊參數，通過計算可得該滾動軸承各部件的特征頻率如表3所示。

經與滾動軸承特征頻率比對，振動頻譜中出現的211.3Hz與軸承NU322ECJ/C3內圈故障頻率208.55Hz接近。考慮到軸承運轉的偏差及測量誤差，可以判斷211.3Hz為該軸承的內圈故障特征頻率。因此，引起該軸承振動上漲的主要頻率分量為滾動軸承內圈故障頻率的2倍諧波及其轉速邊帶。

參考滾動軸承故障發展階段理論，當前該軸承運行溫度較高，現場噪音較大，振動水平總量有大幅提升，且振動速度頻譜上比較清楚的可見軸承故障頻率及其諧波和邊帶，軸承故障振動頻率大都出現在1-1000Hz范圍內，加油對軸承狀態無明顯改善，綜合判斷該軸承壽命已處于故障發展的第三階段，即軸承磨損開始擴展，大概率已產生肉眼可見的磨損缺陷，建議予以更換新軸承。

3.2 診斷結論

綜上分析，可以得出1RAM002GE發電機驅動端滾動軸承油脂較黑，運行噪音劇烈、振動持續上漲的原因為軸承內圈出現損傷，通過加油手段并未有效緩解軸承損傷的發展。在后續的運行過程中，該內圈損傷進一步發展為明顯磨損缺陷，最終導致設備振動超過報警值。

3.3 檢修驗證

經過分析討論，電廠管理者決策對該電動發電機組進行停機檢修，更換發電機驅動端軸承。對軸承解體發現，軸承內圈已有較明顯的剝落損傷，同時由于時間帶病運行，缺陷擴展至部分圓柱滾子也存在損傷，有3顆圓柱滾子表面也出現局部剝落（圖6）。

更換軸承后啟動設備進行驗證，穩定運行后對設備進行振動測量，設備振動恢復至較低水平（表4），且軸承運轉聲音平穩，噪音消失。

4 ?結論

在本次滾動軸承故障診斷的實例中，電廠技術人員通過對軸承進行狀態監測，對振動幅值進行趨勢跟蹤，對頻譜特征進行對比分析。在軸承振動狀態發生變化時，有效識別出引起振動變化的主要頻率分量為滾動軸承內圈故障相關頻率，并參考滾動軸承故障發展理論，判斷出軸承的實際運行狀態，及時提出維修建議，保證了設備的安全可靠運行。

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