高转速电机轴承失效故障解析

2019-05-16关俊峰

设备管理与维修 2019年4期

关俊峰

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

0 引言

某公司冷凝水泵电机为低压三相异步电机，功率18.5 kW，转速2940 r/min。系统共有4台冷凝水泵，无备用。年修期间，对冷凝水泵前后轴承进行更换，更换某品牌轴承，投入运行后，连续运转2个月，维护人员发现3台冷凝水泵运行声音异常，通知维护人员到达现场检查，通过听针判断，声音来自电机非驱动端，电机振动、温度均在标准范围内（机前振动：水平1.1 μm，垂直 0.9 μm；机后：水平 1.8 μm，垂直 2.5 μm。机前温度 58 ℃，机后温度48℃），声音连续均匀，现场分析运行情况，判断声音出自电机非驱动端轴承，轴承有损伤，停机处理。冷凝水泵属连续运行关键设备，立刻停机，影响生产。通过解体，轴承清洗检查，冷凝水泵非驱动端滚珠轴承（6209-2RS-C3）内滑道有损伤，出线麻坑，电机运行时，滚珠与损伤的滑道摩擦，发出异音，破损的部分污染油脂，因转速较高，听针听出声音连续。轴承内滑道出线麻坑是造成冷凝水泵电机出现异音的直接原因。此轴承为6209-2RS-C3型轴承，年修期间更换此轴承，投运2个月，未到检修周期，滚道局部刚性软，运行短时间内滚道出现麻坑，钢体剥落，无法满足较高转速连续运行工况是造成冷凝水泵电机出现异音的主要原因。因其故障存在频发性，所以深入分析轴承设计结构、参数，为何无法满足现场工况，对今后轴承选型及应用工况有更好的了解，对避免此类故障的发生具有指导及借鉴意义。

1 轴承故障现象

通过解体检查，冷凝水泵非驱动端滚珠轴承（6209-2RSC3）内滑道有损伤，钢层脱落，出线麻坑，电机运行时，滚珠与损伤的滑道摩擦，发出异音，破损的镀层污染油脂，因转速较高，听针听出声音连续。轴承内滑道出线麻坑是造成冷凝水泵电机出现异音的直接原因。图1。

2 轴承失效的原因分析

（1）根据此次应用轴承的设计参数说明，分析失效的轴承属于低速重载系列轴承，它在设计之初就在滚道的曲率和球径以及内部结构等方面都进行了优化特殊改进，不同速度的轴承的滚动体直径Dw与滚道直径的比值是不同的，即δ值，高速轴承的δ数值小于低速轴承，并且内外沟道的曲率系数也相应的减少，由0.525变为0.515。设计中心径同时也会增加0.05 mm，相应的轴承振幅、振速和振动加速度都会改变，在承受预载荷旋转的时候钢球会很规则的沿着滚道滚动，当其不承受预载荷高速旋转的时候，钢球极有可能与滚道产生滑动摩擦，滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，滚动表面金属呈点状或片状剥落，造成轴承失效。轴承转速＜3000 r/min，可承受较大载荷，一般用于蜗轮蜗杆，农业机械，反复悬摆机构等。一般把承载大小定义为向心轴承径向当量动载荷Pr与径向额定动载荷Cr的比值。

图1 轴承损伤情况

载荷大小比 Pr/Cr。轻载荷≤0.07δ；正常载荷＞（0.07～0.15）；重载荷＞0.15。

为使轴承的基本额定寿命恰好为100万转时，轴承所能承受的载荷值，称为轴承的基本额定动载荷。一般设计是fi=0.515，fe=0.525，它在高速场合和有侧摆要求的场合曲率系数是不同的。

（2）曲率参数选取有3方面因素：①精密机床，主轴等要求振动和噪声选取较小的R/r；②仪器仪表，马达陀螺等要求精度，摩擦力矩和灵敏度应R放大，r较小；③高转速电机等应选取R较大，r一般的系数。日本长岗对沟曲率做了很多实验，得到结论最佳数据是R/r=0.512/0.5384，实验数据表明R/r=0.508/0.530是最佳。轴承研究所对25个规格600套轴承5种曲率进行研究实验，最后得出3种轴承最为理想精度要求高的选取R/r=0.51/0.52，高速轻载，摩擦力矩低，选R/r=0.51/0.53，适中的选R/r=0.515/0.525。众所周知，轴承设计要约束滚动体沿既定的轨道运行，这个既定的轨道就像车辙，这个车辙的宽度与深浅是否平滑等，都凭着多年的实践经验精心设计而成，把内圈称之为代码02，外圈代码01，保持器代码为07，滚动体代码为04，沟底尺寸Φ，外沟曲率R，内沟曲率r。在轴承应用过程中02旋转01静止与01旋转02静止的物理状态有着很大区别。

（3）通过有限元分析得出结论，δR的取值在02旋转状态时趋近δr，但不小于δr时候轴承运行状态呈对数曲线变化，04在承受叠加载荷并传导力的同时会产生一个物理变形，通过材料的力学性能可得知，当一条长度为L、截面积为S的金属丝在力F作用下伸长ΔL时，F/S叫应力，其物理意义是金属丝单位截面积所受到的力；ΔL/L叫应变，其物理意义是金属丝单位长度所对应的伸长量。应力与应变的比叫弹性模量。ΔL是微小变化量。杨氏模量（Young's modulus），又称拉伸模量（tensile modulus），是弹性模量（elastic modulus or modulus of elasticity）中最常见的一种。杨氏模量衡量的是一个各向同性弹性体的刚度（stiffness），定义为在胡克定律适用的范围内，单轴应力和单轴形变之间的比。与弹性模量是包含关系，除了杨氏模量以外，弹性模量还包括体积模量（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 之间可以进行换算，公式为：E=2G（1+v）=3K（1-2v），表达式E＝σ/ε。应用大型边界元应力分析程序（BEAP-2）对弹性变形及接触应力进行计算（赫兹假定）04弹性变形，设计基准R变化数值增加为R'，假设R'＝R+n，Φ不变，用R'的数据球通过红丹粉刮色或曲率样板，计算机辅助等技术手段观察，得到各应力点状态的更多信息。

（4）0.510/0.510组应力最小，即两物体密合面最好，理应属于最佳，但其实不然，道理是忽略了润滑这个重要因素，沟曲率越小，钢球与滚道的吻合度越好，润滑油越不容易进入接触区，润滑条件的恶化必然导致摩擦力矩的增大，旋转不灵活，产生较大滑动，从而造成轴承疲劳寿命降低。因此，适当增大R的取值改善轴承的润滑，就可以提高轴承的疲劳使用寿命。设计中心径同时也会增加0.05 mm，相应的轴承振幅、振速和振动加速度都会改变，经过检测轴承尺寸和旋转精度公差符合GB/T307.1和JB/T10336相关要求，但未能满足电机用轴承JB/T8880标准要求，即振动至少达到Z3V3要求，V3是振动值，Z3是噪声值。振动加速度是振动力的体现（力等于质量乘以加速度）并且因为力在更高频率时有破坏性。另外轴承在承受预载荷旋转的时候钢球会很规则的沿着滚道滚动，当其不承受预载荷高速旋转的时候，钢球极有可能与滚道产生滑动摩擦，滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来，造成轴承失效。这种轴承转速一般＜3000 r/min，但它可承受较大的载荷，一般用于涡轮蜗杆，农业机械，往复悬摆机构等。