核电厂典型电机轴承失效分析

唐莱智　林森　孟青春

【摘 要】基于核安全要求，核电厂需要多种系统运行支持其稳定安全运行，而这些系统中包括了大量的电机设备，通过对电机设备故障长期的大数据归纳可以看出，电机设备的损害很大一部分是其转动要件——轴承的失效造成。本文通过对一些典型的轴承失效案例进行剖析，找出轴承失效的原因，为保证此类部件的保养维护以及电机设备的长久稳定工作提供借鉴。

【关键词】电机；轴承；振动

1 轴承失效说明

1.1 轴承失效原因

根据最新的轴承寿命理论可知，只要轴承在特殊的工作条件地，当轴承的滚动面（滚动体及滚道）之间有一层限制污染物且能有效地分隔的油膜时，在理想状况下，就能避免轴承的表面破坏，以达到良好的运行状态，延长轴承的使用寿命。但在实际的运用过程中，经常会出现轴承失效的问题，轴承损坏的原因有：超负荷运行；装配配合过紧造成轴承间隙减小；轴承室密封不严混入污染物；电机转动部件不平衡衍生的振动等。不管何种因素造成轴承失效都会在轴承的上呈现与之相对应的损坏痕迹。找出这些轴承损坏的痕迹便可反推出失效的原因，再采取相应的对策。

1.2 轴承失效发展过程

轴承开始失效的表现是会出现材料疲劳现象，当轴承生产出厂到出现第一个材料疲劳的时间长短与轴承的存放、轴承使用工况的转数、负荷大小、润滑品质有关。在负载表面下出现的周期性剪应力会造成疲劳，再运行一定时间后，这些剪应力就会发展成一些细微的裂损然后延伸到轴承的材料表面。轴承运转时滚动体会擦过这些裂痕，裂痕附近就会出现材料脱落。虽然最开始这种脱落情况很轻微，但随着应力和裂痕材料增加，会导致材料脱落面积不断增加，达到在一定程度后缺陷就会在轴承运转的振动和噪音方面表现出来，最终导致轴承失效不可用。

2 核电厂某电机轴承典型失效案例分析

其中核电厂的电机设备轴承失效大体上来说有30%属于疲劳损伤，40%属于润滑不良，30%属于轴承被染或装配不当。下面就0SEP601MO故障案例分析其轴承失效原因。

2.1 故障描述

2013年5月8日，淡水厂0SEP601MO电动机故障跳闸，同时上一级电源柜0SEP401AR跳闸，进一步检查发现电动机卡涩无法转动，随后对电动机进行解体检查处理，检查其损坏情况如下：

在靠近非驱动端端部电动机定子与转子有扫膛现象，铁芯有损伤，定子磨损严重，出现绕组绝缘被破坏，造成定子绕组接地故障。

电动机驱动端轴承严重损毁，轴承卡涩无法转动，轴承的保持架严重变形，轴承里滚子与轴承内圈完全咬死，无法取出，且轴承的外圈与滚子间有明显的磨损。轴承内的油脂已有炭化现象，在轴承腔室内产生大量的黑色结块。

2.2 故障分析

通过 0SEP601MO出现的以上故障现象，对电机的驱动端轴承6319损坏列出如下故障模式：

1）0SEP601MO为变频电机，根据用水负荷运行转速不是恒定值，0SEP601MO电动机驱动端轴承设计要求的型号为6319型（铭牌要求），查检修记录发现，在2012年对电机进行解体时，更换过轴承，由于当时需向工程现场紧急供水，而备件只有6319/C3型轴承，所用轴承并非游隙正常，而是C3。选装了错误规格轴承。

滚动轴承内部游隙的大小直接关系到电机运转过程中的温振、噪音以及使用寿命等。0SEP601MO的使用载荷P/Cr在0.1以下，无须选用游隙为C3的轴承，其保持架的耐温而磨性能不适用。因此，SEP电动机驱动端的轴承规格选型错误使其使用寿命大大降低。

2）对于轴承的安装，采用基轴制过盈配合，轴承安装的过盈量直接影响游隙的减小量。如果轴承和轴的配合过盈量不足，会在配合面之间发生所谓蠕变滑动，随着轴承运行期间的磨损或温度的升高，发生蠕变的配合面产生间隙以至出现相对滑动，其结果会由于磨损导致轴承和轴的损坏。但如果轴承与轴的配合过盈量过大，则会使轴承原有配合间隙（游隙）变小，精度降低。当轴承在承受载荷旋转时，轴承套圈上的应力增大，轴承摩擦发热情况会较为严重，由于外界或内在因素的影响，如温升引起的膨胀量、瞬时过载等，会引发轴承出现“咬死”现象（游隙变化失效）。因此，保证轴承与轴的配合在标准范围是非常重要的。

从故障的结果看，轴承内圈与轴产生了严重的滑动磨损，并且过热温度很高（故障后的最高温度超过1600℃），轴承保持架损坏的特征是在原始位置过热变形，未有断裂或脱落迹象。因此，从轴承运行时间和轴径磨损以及保持架损坏特征来看，怀疑轴承配合的过盈量不足。

3）轴承润滑不足，从解体情况来看，轴承运转长期处于缺油状态，轴承形成粘着磨损，轴承表面的状态恶化。根据保养规程和铭牌信息驱动端轴承润滑周期为2500h，而电机安装调试完成后还没有进行过润滑加油处理。

4）联轴器不对中

两轴对中偏心会造成附加的弯矩，而在转动一周的过程中，这个弯矩的方向也随之发生周期性变化。在解体电机前，对联轴器的对中情况进行测定，发现有一定的偏心最大值达到0.19mm，而转速不到3000r/min的设备要求对中偏差不大于0.1mm，有严重偏心的现象。而不对中在严重时，会使轴承的油膜压力偏离正常值，进而加大轴承的振动值。

5）异物污染

由于当时处于工程建设高峰时期，尘土污染比较严重，从电机外壳的污染程度可以看出，电机所处的工作环境不理想，易造成尘土颗粒进入轴承室里，不能排入有异物进入的可能性。

3 轴承失效结论

电动机在之前解体时使用了不符要求型号的轴承，导致轴承承受载荷旋转运行初期间隙过大，滚动体与内外圈产生碰撞。也导致轴承套圈上的应力增大，以致轴承在工作面上形成早期的异常磨损，即使在运行初期润滑脂比较充分，轴承仍可能运行在一个相对较高的温度。随着运行时间的增加，因为温度的升高，轴承内部润滑脂性能也会快速下降，从而长期磨损轴承表面，降低了轴承的疲劳寿命。温度升高造成内圈膨胀导致轴承与轴之间出现滑动，内圈与轴发生滑动磨损，以致轴承内部温度急剧升高，滚子出现咬死甚至部分脱落，保持架也开始变形，轴承内套与轴这种面与面的摩擦所产生的热量更大，使得内圈上两个滚动体之间的部位因散热差而导致局部熔化。并且由于轴承与轴继续相对摩擦运动产生的异常磨损和高温将轴承内圈内表面和轴颈磨损成环状槽沟。

轴承与轴径出现严重磨损后，电动机转子出现动不平衡，随故障的发展最终形成转子扫膛。扫膛破坏该处绕组的绝缘，从而造成了定子绕组的接地短路故障。随后保护动作，电动机的电源开关跳闸。

4 后续电机轴承关注问题

4.1 加强电机轴承的状态监测

在对电机的日常巡检中，除了测量其振动值是否超标外，还要加强轴承温度的测量。当出现温振值异常升高的情况时，要进行电机参数的全面测量，包括电气和机械参数，如振动、温度、分贝值、电压、电流，振动方面尽可能进行频谱分析。提早发现异常，以防轴承失效情况蔓延。

4.2 优化添加油脂周期

电机铭牌虽然标示的是2500小时的加油周期，但根据SKF轴承保养手册给出的润滑寿命期限是，6319轴承的润滑周期在正常负荷的工况下是1200小时。除了正常添加油脂外，还要注意排掉轴承腔室内的废油，避免油脂过多造成轴承滚动面之间的挤压。

总之，要延长滚动轴承的使用寿命，不仅要靠轴承生产的高质量，还要靠正确地装配，合理地使用以及精心的维护。尽量避免因人为的或外界因素给轴承带来损害。

【参考文献】

[1]杨瑞.交流感应异步电机振动故障诊断新技术[J].中国设备工程，2005（5）.

[2]SKF.轴承保养手册，2006（2）.

[责任编辑：王伟平]