电动发电机组滚动轴承振动故障诊断分析
2022-02-28程彬周淋左双龙张昱莹
程彬 周淋 左双龙 张昱莹
摘要：在对某核电厂1号机组控制棒驱动机构电源系统（RAM）电动发电机组进行常规振动状态监测过程中，发现2号发电机（1RAM002GE）驱动端滚动轴承存在尖锐异音，且振动水平在较短时间内有明显上涨。通过对振动趋势进行合理跟踪，对频谱结构进行对比分析，结合滚动轴承故障发展特点，成功诊断出故障原因为滚动轴承内圈存在磨损剥落缺陷。
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.
關键词：滚动轴承;振动监测;频谱分析;特征频率
Key words： rolling bearing;vibration monitoring;spectrum analysis;characteristic frequency
中图分类号：TH133.3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2022）05-0109-03
0 引言
核电厂运行需要电机、泵、风机等大量的转动设备行使各类介质输送功能，而对于这些旋转设备而言，滚动轴承是非常重要且易损的元件之一。当滚动轴承零件表面发生损伤时，损伤的单元随着滚动体与内圈、外圈之间交变力的作用，相互挤压、磨损引起轴承较大的振动响应。根据轴承的损伤程度及损伤零部件的不同，反映在振动幅值和频谱特征上也不尽相同。因此，核电厂运行维护人员可以通过跟踪滚动轴承振动变化趋势，识别特征频率，来判断滚动轴承的运行状态，实现故障诊断的目的。
1 滚动轴承结构及振动特征
典型的滚动轴承结构如图1，由滚动体、保持架、外圈、内圈四个结构部件组成。通常外圈装配在轴承座上，内圈装配在轴颈上，外圈固定，而内圈随轴颈旋转。根据滚动体的结构不同，滚动轴承可分为深沟球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等，可根据载荷的不同应用于不同安装场景。
滚动轴承的功能和结构特点决定了，各结构件在运行过程中经常会承受交变载荷。即使正常安装且合理维护的轴承，在运行一段时间后，也可能会出现疲劳剥落或表面磨损等各种形式的缺陷。
由于轴承的旋转特性，当某个结构件发生缺陷后，会在振动频谱上产生表征该结构件缺陷的特征频率分量。各结构件的特征频率计算公式见表1。
在实际的滚动轴承故障诊断中，诊断工程师通过振动分析诊断仪器，分析识别滚动轴承的实际振动频率并与计算的特征频率进行对比分析。识别测量频率中某个结构部件的特征频率，以此判断滚动轴承可能的缺陷部位，然后根据该频率分量的幅值大小及变化趋势判断缺陷的严重程度。
2 故障背景介绍
2.1 设备参数简介
在机组正常运行时，控制棒驱动机构电源系统（RAM）为控制棒驱动机构供电。该系统为交流电动机驱动的交流发电机系统，输出电压为260V。在结构上，联轴器位置设计有惯性飞轮，在电网瞬时失电时，可维持一定时间的供电输出。该系统由两列电动发电机组构成的，正常情况下两列同时运行，其中一列正常供电，另外一列保持热备用。
电动机与发电机采用柔性连接，两者位于共同的支撑基座上，支撑基座靠地脚螺栓安装在基础上，设备结构及测点布置如图2 。
异步电动机参数：型号Y2-315M-4/135W，鼠笼式三相异步电动机，额定转速1485r/min，滚动轴承型号SKF-6319;
同步发电机参数：型号TFWS100-4/100W，无刷励磁，额定转速1500r/min，滚动轴承型号：驱动端SKF-NU322ECJ/C3;非驱动端6324/C3。
2.2 故障问题描述
电厂巡检人员在进行设备状态检查时，发现2号发电机（1RAM002GE）驱动端轴承存在恶劣的噪音，且轴承端盖位置有黑色油脂甩出。使用便携式振动分析仪Dynamix2500采集记录设备振动数据，见表2。
各测点振动均符合标准要求，但是与历史测量值比较，发电机驱动端垂直向（GBD-V）振动由1.8mm/s上涨为3.4mm/s，涨幅较为明显。为改善轴承运行噪音，缓解甩油对轴承润滑造成的不良影响，防止振动状态恶化，维修专业对该轴承进行了补油处理。
在后续对该轴承的振动状态监测中，发电机驱动端垂直向（GBD-V）的振动值持续上涨（图3），在三周内上涨至6.2mm/s，涨幅明显且上涨速率较快，超过了厂家提供的设备运行维护手册及国标GB/T-6075.3要求的4.5mm/s的振动限值，需停机进行检修。
3 原因分析和故障诊断
3.1 原因分析
查看监测的振动数据，通过GBD-V测点的瀑布图（图4）可以发现，在轴承振动变化过程中，频谱结构并未发生明显变化，各频率分量的整体上涨及某些频率分量的大幅上涨是引起该测点振动上涨的主要因素。
结合该测点的频谱图（图5）分析，引起轴承振动上涨的主要频率分量为422.8Hz及其左右转速边带。其中，422.8Hz的幅值由0.54mm/s上涨至4.43mm/s，其右转速边带频率447.6Hz的幅值由1.24mm/s上涨至2.18mm/s。因此，有效判断422.8Hz频率分量的产生因素是后续故障诊断的关键。
进一步分析，422.8Hz频率分量为211.3Hz的2倍谐波，且频谱结构中还存在211.3Hz的3倍、4倍谐波分量，所以需首先确认211.3Hz的来源。
该设备的工频为24.85Hz，211.3Hz为其工频振动的8.5倍（非整数倍），通过诊断经验，可以排除转子不平衡、联轴器对中偏差、设备基础安装不规范等结构性缺陷。结合前期发电机驱动端轴承室甩出的油脂较黑，且轴承运行噪音剧烈，初步分析引起211.3Hz及其相关频率分量上涨的原因可能为轴承缺陷。
查询技术规范书，设备驱动端轴承型号为SKF-NU322ECJ/C3，根据SKF滚动轴承手册参数，通过计算可得该滚动轴承各部件的特征频率如表3所示。
经与滚动轴承特征频率比对，振动频谱中出现的211.3Hz与轴承NU322ECJ/C3内圈故障频率208.55Hz接近。考虑到轴承运转的偏差及测量误差，可以判断211.3Hz为该轴承的内圈故障特征频率。因此，引起该轴承振动上涨的主要频率分量为滚动轴承内圈故障频率的2倍谐波及其转速边带。
参考滚动轴承故障发展阶段理论，当前该轴承运行温度较高，现场噪音较大，振动水平总量有大幅提升，且振动速度频谱上比较清楚的可见轴承故障频率及其谐波和边带，轴承故障振动频率大都出现在1-1000Hz范围内，加油对轴承状态无明显改善，综合判断该轴承寿命已处于故障发展的第三阶段，即轴承磨损开始扩展，大概率已产生肉眼可见的磨损缺陷，建议予以更换新轴承。
3.2 诊断结论
综上分析，可以得出1RAM002GE发電机驱动端滚动轴承油脂较黑，运行噪音剧烈、振动持续上涨的原因为轴承内圈出现损伤，通过加油手段并未有效缓解轴承损伤的发展。在后续的运行过程中，该内圈损伤进一步发展为明显磨损缺陷，最终导致设备振动超过报警值。
3.3 检修验证
经过分析讨论，电厂管理者决策对该电动发电机组进行停机检修，更换发电机驱动端轴承。对轴承解体发现，轴承内圈已有较明显的剥落损伤，同时由于时间带病运行，缺陷扩展至部分圆柱滚子也存在损伤，有3颗圆柱滚子表面也出现局部剥落（图6）。
更换轴承后启动设备进行验证，稳定运行后对设备进行振动测量，设备振动恢复至较低水平（表4），且轴承运转声音平稳，噪音消失。
4 结论
在本次滚动轴承故障诊断的实例中，电厂技术人员通过对轴承进行状态监测，对振动幅值进行趋势跟踪，对频谱特征进行对比分析。在轴承振动状态发生变化时，有效识别出引起振动变化的主要频率分量为滚动轴承内圈故障相关频率，并参考滚动轴承故障发展理论，判断出轴承的实际运行状态，及时提出维修建议，保证了设备的安全可靠运行。
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