高压电机滚动轴承失效分析与改进

庾应文

摘 要：本文结合水厂高压电机滚动轴承失效实例，从理论与实践角度阐述了滚动轴承失效的分析与处理，对实践有一定的指导作用。

关键词：滚动轴承；失效分析；轴电流

高压电机滚动轴承在使用过程中不可避免的因自身质量和外部条件的作用等原因导致其性能下降或故障发生、甚至失效。轴承一旦发生故障或失效，就会引起停机或事故，就需要在短期内查出轴承失效的原因，提出对策。为此结合水厂高压电机滚动轴承几起失效实例，对高压电机滚动轴承失效的原因及处理措施进行分析，对提高设备的抢修速度和质量，减少设备检修维护费用有一定作用。

1 高压电机滚动轴承失效事例

东莞某水厂配水泵房有4台配水泵机组，其中两台为定速机组其所配电机型号为YSK800-8，另外两台为调速机组其所配电机型号为YPT800-8，额定功率都为2000kW，额定电压为10kV，电机前端为圆柱滚子轴承NU248+深沟球轴承6048，电机后端为圆柱滚子轴承NU248。机组2008年底开始投入使用，但在投入使用后不久，逐渐发生了电机滚动轴承失效事例。

2010年10月26日4#调速电机非联轴器端轴承有异声，停机检查，维修人员拆解发现：轴承内圈点蚀，圆柱滚子有磨损。判断为润滑不良，进行轴承更换处理。

2011年6月2日6#定速电机联轴器端轴承，振动速度超标达到28—30mm/s，停机检修，发现圆柱滚子轴承内圈和滚柱严重磨损，深沟球轴承滚子磨损、保持架卡阻失效。排除了机组对中、地脚螺栓松动以及润滑油不足等原因，怀疑轴承安装不到位，但没有足够依据支持这个判断，因为没有轴承安装时的记录，最终对轴承进行了更换处理。

2012年1月2日晚，4#调速电机联轴器端轴承冒烟，紧急停机，拆卸检查发现：圆柱滚子轴承内圈与电机轴烧结融合。组织了维修技术人员对电机轴承的烧毁进行了分析，但对最终引起轴承失效的真正原因没有定论。

短期内电机多次出现前后端轴承故障，按照一般情况轴承寿命不会这么短，对于这种不正常的轴承失效现象需要深入研究和分析。

2 轴承失效原因查找与分析

引起滚动轴承失效的因素很多，例如轴承材质、制造缺陷，选型、安装不当，润滑不良，振动引起轴承磨损等，在分析轴承失效原因的过程中，往往会碰到很多错综复杂的现象，从这些现象中获取的信息可能存在相互冲突或者主次不清，分析起来不易判断，这需要经过反复验证，以获得足够的证据或反证，因此需对失效轴承的信息进行收集，然后再分析失效原因。

2.1 对失效轴承的实物和背景资料进行收集

失效轴承的有关实物和资料是进行轴承失效分析的重要依据，资料收集越多，越有利于查找轴承失效的原因，因而收集的资料应尽可能全面，这些资料主要包括：

①失效轴承的实体、残片，形貌特征图片，这些是进行失效轴承表征分析的最直接资料；

②失效时是否有温度的急剧增加或冒烟，是否有噪声及振动，地脚螺栓是否松动，轴对中情况如何；

③轴承的润滑情况，包括润滑剂的牌号、成分、颜色、粘度、杂质含量、补充或更换情况等，并收集其沉淀物；

④安装记录，在安装轴承前，轴承与轴和轴承座的配合检查记录，轴对中检查记录；

⑤拆卸记录，轴承与轴和轴承座的配合，轴承轴向紧固零件的松紧程度；

⑥轴承的密封情况，是否可能有水和其他杂质污染源进入；

⑦轴承的运转记录，轴承的旋转音、振动、温度，以及其变化趋势，运转使用过程中有无不正常操作，是否检查过轴对中，记录如何；

⑧同批或同类轴承的失效情况。

根据这些要求对失效轴承进行了资料收集，根据收集的信息，这些失效轴承出现过以下特征：异常声音、振动超标、轴承内圈凹坑，圆柱滚子有磨损、圆柱滚子轴承内圈与电机轴烧结融合。

在收集的过程中，也发现了部分资料缺失，主要是安装记录、润滑情况、拆卸记录等，这给轴承的失效分析带来了一定影响。考虑到轴承失效的根源还没找到，轴承失效的情况还会发生，为了完善资料的收集，要求检修维护人员在轴承安装、运行、拆卸前、拆卸中、拆卸后必须根据这些要求记录有关信息。

2.2 对失效轴承进行分析

根据收集到的轴承失效特征可以初步判断轴承可能存在以下一些失效形式：

①点蚀，由于润滑不良，在滚动接触应力的循环作用下，形成应力集中，使滚动接触面产生微观裂纹，并逐漸发展成呈分散或群集状的细小凹坑；

②磨损，由于细微颗粒物进入轴承或润滑不良，在滑动摩擦的作用下，滚动接触面或引导面处金属表面材料被磨掉，呈磨合状的浅沟槽，表面光亮；

③烧附，由于预紧力过大、轴承游隙过小，润滑不良，轴承高速运转，使滚动体受热膨胀后接触表面摩擦产生急剧温升，出现金属熔融现象，造成相互接触的表面上粘附有被迁移的熔融性材料；

④电蚀，由于电流通过轴承时，击穿油膜，产生高温，出现金属熔融现象，使金属表面局部熔融形成不规则凹坑或沟蚀，凹坑呈斑点、密集斑点、小凹坑状，沟蚀呈洗衣板状。

虽然通过这些分析已把轴承的失效形式收窄到了一定范围内，但因为失效形式和失效过程如此复杂，这些失效轴承样品的形貌，或是由于失效程度严重，已经把部分的失效形貌掩盖或改变了，露出来的只是轴承最终咬死、烧坏、破碎的轴承零件的残骸，或是由于失效程度较轻，表现不出失效的形式和过程，导致了很容易混淆轴承损坏的根本原因，因而还没有最终定论，为了找出原因，加强轴承各个阶段的信息收集，于2012年5月底，监测发现6#机的电机轴承噪音和振动逐步在扩大，因而对地脚螺栓、轴对中情况、轴承的润滑情况进行了排查，没有发现存在问题。为了使失效特征更明显，这台机暂时不停下来检查，采用了一个衡量标准，在轴承振动超过6mm/s后，再进行轴承拆解检查，但在这个过程中进行了严格频密的状态监测，一旦发现振动、温度、噪音迅速升高，就必须停机，避免严重事故发生。2012年7月2日轴承振动超过6mm/s，对6#电机进行了停机检查，发现电机尾端定子线圈有电晕放电痕迹以及电机前后端轴承内圈有明显搓衣板式电蚀划痕，如图1。可以判断为轴电流引起电蚀。

3 轴电流产生的原因和形貌特征

当转轴两端之间或轴与轴承之间存在电压时，这种电压称为轴电压，当轴电压较低时，由于转轴与轴承间有润滑油膜的存在，起到绝缘的作用，不会产生轴电流。但当轴电压增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，轴承内的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜，一旦转轴及机座、壳体之间绝缘层失效，形成通路，就会产生轴电流。一般电机轴压产生的原因有以下几种：

①当电机运行时，由于定子与转子空气间隙不均匀等，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压；

②逆变供电产生轴电压；

③静电感应产生轴电压；

④外部电源的介入产生轴电压。

当轴电流产生后，电流在轴承上通过，由于滚柱或滚珠在轴承圈的跑道上滚动和辗压跑道时，在辗压接触地方，接触电阻很小，并将润滑脂挤向两侧，当滚动体将要离开原位置时，产生小间隙，滚道与滚子之间的接触面被阻断，就会产生电弧，并在局部产生高温，两边都会留下蚀点，最终将滚道表面烧成像搓板样的线条状凹槽痕迹，当滚动体继续转动时，因辗压使凹槽压平、压光，滚道表面会变得光亮，噪音和振动也就随之出现，如6#电机轴承内外圈跑道上有像搓板样的条形烧伤痕迹，这是轴电流对滚动轴承破坏的共同特征。如果高强度电流发生大幅度变化，会引起更为严重的损伤，并导致在滚道与滚子或滚珠之间、轴与轴承内圈之间发生金属熔接，如4#调速电机联轴器端轴承金属熔接。

4 改进措施

为消除轴电流的产生，采用了在非联轴器端的轴承座和轴承支架处加绝缘垫圈，并对轴承的固定螺栓进行绝缘，以隔断轴电流的通路。从2012年9月，对6#电机采用这种方法处理后，轴承使用至今运行正常，其余各电机也采用这种处理方法，轴承运行正常，再也没有出现过故障。为了防范未然，要求检修运行人员定期检查轴承座的绝缘强度，在电机每次检修前后也要检查轴承座的绝缘强度，保证绝缘不得低于0.5MΩ。

通过对该四台电机轴承座和轴承支架处加绝缘垫圈的改造，消除了轴电流，至今运行良好，取得了较好的经济效益和社会效益。