鼓形滤网减速箱轴承故障原因分析

李海秋

（阳江核电有限公司，广东阳江 529941）

0 引言

鼓形滤网是核电站冷源最重要的海水过滤设备，多电厂先后多次出现故障，对比多电厂鼓形滤网减速箱安装使用情况，分析其设备的使用差异，从发生时间、设计型号、改造等多方面分析，找出故障原因。通过多个电厂出现的故障类型，对轴承故障原因进行多维度、多角度分析归类总结。

1 设备简介

鼓形滤网是核电站冷源最重要的海水过滤设备，为核电站全厂冷源的重要敏感设备。因鼓形滤网设备原因导致机组降功率事件也有发生，鼓形滤网的稳定运行对核电站的安全运行极其重要，对核安全起到至关重要的作用。

鼓形滤网的驱动由电机带动减速箱，减速箱输出驱动轴通过小齿轮和鼓形滤网外圈的大齿圈啮合，从而驱动鼓形滤网旋转。减速箱由中高速一级减速箱、二级减速箱、低速一级减速箱组成，各级减速箱为CAVEX 的CDA 系列涡轮蜗杆减速箱，原始结构形式一级都为悬臂式结构，见图1。

图1 CDA120/CDA225 减速箱组合

2 轴承故障及原因分析

鼓形滤网主要故障都集中表现在中高速一级减速箱，具体现象为涡轮上部轴承损坏，此故障会导致鼓形滤网无法运行，若短时无法处理，可能导致鼓形滤网压差升高，带来系列后续问题，给机组冷源带来危险，最终威胁核安全。

2.1 减速箱结构

目前多电厂中高速一级减速箱的型号为同一结构系列，三种型号分别为CDA120、CDA140、CDA160，因减速箱型号不同因此涡轮空心轴上的轴承型号也不同，早期出厂设计时电机底部无任何支撑，见图2。

图2 中高速一级减速箱结构

2.2 减速箱轴承故障

多电厂发生轴承故障，均为涡轮空心轴上部轴承损坏，群厂共模故障，且出现故障的时间点主要集中在2015 年底到2017 年，而且都是CDA120 型号减速箱。对轴承缺陷进行检查，故障现象基本是：轴承6017 已损坏，轴承保持架断裂，滚珠磨损严重或者破裂，滚珠表面存在剥落现象，轴承内圈受到不同程度的磨损。

2.3 原因分析

2.3.1 时间上分析

结合现场的故障时间，可将故障情况分为3 个时间段：

（1）从机组商运开始到2015 年10 月

最早机组2002 年5 月就已经开始商运，但是仅仅2009 年发生故障一次。在此时间阶段内，冷源海域情况良好，未发生任何冷源影响机组运行的情况，也很少各种冷源应急措施。此阶段只有一次故障。

（2）2015 年11 月到2017 年

2015 年底开始，多电厂先后出现过进水明渠（或者隧道）海生物增多事件。为了保障机组的安全稳定运行，对冷源格外关注，为减少鼓形滤网的压差高，避免机组停循环水泵降功率以至停机停堆，必须及时处理解决。比较有效的早期措施就是尽快启动中高速电机，以至中高速电机启停频率、运行时间增加。而且该阶段，中高速电机提升功率改造，更换了电机型号，电机重量增加，而且最初早期改造未在电机底部增加支撑。此阶段故障最多，而且是多基地多个设备出现。

（3）2018 年以后

此阶段已经完成中高速电机功率提升，并在完成改造后电机底部增加弹性支撑，进水渠增加优化了拦截措施，冷源相对风险减小，鼓形滤网在中高速运行的情况良好，没有出现中高速一级减速箱轴承故障。此阶段目前基本无大的故障。

通过以上不同时间段的分析，冷源的海生物对鼓形滤网的运行产生了影响，频繁启停多中高速电机对减速箱的寿命产生了直接影响，明显鼓形滤网在中高速运行的时间增多，既减速箱在中高速运行时间多，轴承寿命有限导致故障多。

2.3.2 减速箱型号分析

目前出现轴承故障的都是CDA120 型减速箱，而其他型号从商运到当前还未出现故障，需要对不同型号的减速箱轴承进行对比分析。

从鼓形滤网减速箱布置（图3）[2]可以看出，中高速电机结构为单向悬臂结构，下部无支撑，既蜗轮蜗杆减速机是空心轴立式安装，减速机的本体的自重只能由与外部链接的部件承担，也就是输出空心轴承担，重量最终由上部轴承承受，减速机本体还有电机和其他附件（润滑油、计数器减速箱）及涡轮蜗杆传动时产生的轴向力，因此轴承的受力与轴承的寿命计算时需考虑到本身及附件的重量。蜗轮蜗杆受力分析如图4 所示。

CDA120 减速箱涡轮轴所使用轴承为深沟球轴承6017，上下各一个，该轴承主要承受径向力，只能承受较小轴向力，跟径向游隙相关，增大径向游隙时，具有角接触轴承的功能，可承受一定轴向载荷，但不能单独承受。当此类型轴承承受较大轴向力时，使用寿命将大大降低，这是轴承损坏的主要原因。深沟球轴承选用的一般情况下轴向力不得超过0.5C0，过大的轴向负荷会大幅降低轴承的工作寿命。而且承受的轴向力大小与轴承的内部游隙有直接的关系，游隙越大钢球在轴向位置运动的范围也就越大，所能承受的轴向力也就越大，但是游隙也不能盲目的大，如果游隙过大，导致在此单伸展轴（不对称）悬臂情况下，安装在末端的电机振动就越大，因此不能选择大游隙（例如C3、C4、C5），而选择的是常规的普通游隙组（0.012～0.036 mm）。

图3 减速箱布置

图4 减速箱受力分析

对损坏的轴承进行专业失效分析，分析表明轴承在运转过程中承受较大轴向载荷，轴承外圈产生较大内应力，保持架频繁受到冲击载荷，这使得轴承疲劳寿命大大缩短。中高速电机的频繁切换加速了轴承的疲劳剥落，导致最终的失效，既上部轴承内外圈受力不均匀且受力方向不断变化，及长期承受交变载荷，最终导致轴承损坏。

减速箱的型号不同，减速箱内部选用的轴承不同，尺寸越大，在电机相同情况下轴承的基本额定载荷就越大，直接决定了能否满足设备运行要求。轴承分析见表1。

表1 轴承力学参数及轴承寿命

2.3.3 电机功率提升改造影响分析

对于中高速电机功率偏小问题，多电厂电机改造换型，电机重量增加，增加了减速箱上部轴承的轴向受力，缩短了轴承使用寿命（表1）。在最初改造设计分析时只考虑了减速箱连接的法兰强度，未对减速箱内部受力进行分析，未考虑中高速电机重量增加对轴承寿命的影响，因此CDA120 减速箱未同步更改型号，电机安装方式也未改变。中高速电机换型之后，多次出现故障，在设备解体后，确认都是中高速减速箱上部轴承损坏。

而后期改造时考虑到了电机重量变化影响，就直接电机底部增加支撑，则未再发生减速箱上部轴承损坏故障。

2.4 改进措施

2.4.1 更改为卧式结构

当前使用的CAVEX 系列CDA 型悬臂式减速箱整体更换为卧式减速箱，已有电厂将减速箱改造为卧式减速箱H4SH09减速机。对比90 年代商运的核电机组，原始设计为雪铁龙卧式减速箱的鼓形滤网设备，运行20 多年，减速箱故障率非常低，设备稳定，运行可靠，因此卧式结构是目前最可靠、故障最少的减速箱。

2.4.2 更换减速箱型号

对于核电的百万机组，曾经普遍使用的CDA120 减速箱，已经明显不能满足于设备运行需求，不改变结构形式应更换使用更大型号减速箱，如选择CDA160。减速箱的型号不同，对应的轴承不同，在负载相同情况下，轴承的寿命也就不同。最初安装使用CDA140 减速箱鼓形滤网，从商运开始到至今，还未出现过轴承损坏的故障。

2.4.3 电机底部增加支撑

由于电机是悬臂安装，导致电机重量都是由减速箱的上部轴承承受，而在中高速电机的底部增加支撑，有效分担了中高速一级减速箱涡轮上部轴承的轴向载荷，减少了减速箱悬臂结构的承载和轴承的轴向力，能延长轴承的使用寿命。

鼓形滤网本体为现场拼装结构，齿轮接合位置、圆度等与理论存在偏差，因此需考虑的内应力的综合影响，减速箱的末端（电机）需要具备一定的灵活性，避免因内应力的影响导致减速箱异常磨损，因此弹性支撑是比较理想的选择。既能满足现场电机重量支撑要求，提升减速箱轴承其可靠性及使用寿命，又能承受鼓形滤网圆度内应力的影响，保障设备能在正常运行。

2.4.4 轴承改造换型

CDA 系列中高速减速箱蜗轮轴轴承选用深沟球轴承，该轴承抗径向载荷能力强，但抵御轴向载荷承受能力不足，因此在不更换减速箱的情况下，对轴承进行改造换型也是个选择，轴承改造选型分析选择见表2。

表2 CDA120 轴承改造选择

3 结束语

通过多年对核电站鼓形滤网减速箱的检修，对减速箱轴承故障进行多维度原因分析，并进行针对性的改进。对提升减速箱故障排查、检修等方面具有重要意义，为核电站冷源保障和机组安全运行奠定了重要基础。