摘要：轴承是电机必不可少的组成部件，其完好可用关系到电机是否可以正常运转。而电机的安装结构会改变轴承的受力结构，进而影响轴承的使用寿命。电机轴承合适的选型对于电机正常运行也至关重要。本文以一种核电站常用的悬臂式电机为例，分析深沟球轴承因受交变应力作用导致失效损坏的原因。
关键词：深沟球轴承；交变载荷；过载跳闸
1 电机结构介绍
某集团核电基地的海水过滤鼓形滤网采用悬臂式电机作为驱动，鼓形滤网驱动减速机采用蜗轮蜗杆组合齿轮箱，由三个齿轮箱组成，如下图1。二级齿轮箱安装在鼓形滤网小齿轮驱动轴上，两个一级齿轮箱分别安装在二级齿轮箱的输入轴上下两端。其中下端一级齿轮箱安装有两台低速电机（一用一备），上端一级齿轮箱安装有一台中/高速电机，当其中任何一台电机启动， 三台齿轮箱都会运转。
图1 旋转滤网驱动电机现场布置
2 故障过程描述
2016年2月，运行定期试验多次发现鼓形滤网驱动电机中速运行时，中高速电机振动最大24mm/s，超过振动标准值18mm/s，振动不合格；进行中高速电机运行时振动不合格原因排查，未发现异常；
2016年4月，维修人员为中高速驱动电机增加吊带，在吊带拉力60kg时，振动最大13.1mm/s，振动合格；
2016年8月，大修期间对中高速一级减速机进行解体检查，发现涡轮蜗杆轴骨架油封密封处磨损大，更换减速机整体备件,再鉴定合格；
2017年6月，主控室触发电机配电盘总故障、电机综合故障报警，经核实鼓形滤网驱动电机跳闸，鼓形滤网停运；
维修人员手动盘动中高速电机，盘动过程中发现有卡顿现象，怀疑中高速一级减速机损坏。随后实施更换中高速一级减速机并完成中高速一级减速机再鉴定，设备恢复正常运行。
3 中高速一级减速机解体检查情况
检修人员对中高速电机一级减速箱进行解体后，发现中高速一级减速机上轴承损坏，损坏位置见下图2。
图2 旋转滤网驱动电机结构图
将中高速一级减速机解体后，发现以下故障点：
上轴承损坏：轴承保持架局部碎裂，轴承滚珠少量脱落，滚珠表面存在剥落现象，见下图3与下图4。
图3 轴承内圈及保持架碎片
图4 滚珠脱落且表面有剥落现象
内圈约三分之一缺肉，内圈下部滚道面整圈存在剥落现象，外圈上部滚道面整圈存在剥落现象，见下图5。
涡轮表面附着金属粉末，见下图6。
图5 上轴承内外圈滚道剥落痕迹
图6 涡轮表面附着金属粉末
涡轮轴上轴承一端圆周方向三分之二范围内存在摩擦深坑，见下图7。
减速机壳体与涡轮轴上轴承外圈接触位置存在明显划痕，见下图8。
图7 涡轮轴上部轴承一端摩擦深坑
图8 壳体与上轴承外圈接触位置处划痕
4 中高速一级减速机设计缺陷分析
1）上轴承受力情况
从上文图1鼓网减速机布置图可以看出，一级减速箱自重是分布均衡的，而中高速电机结构为单向悬臂结构，且下部无支撑，因此电机重力通过连接法兰作用到中高速一级减速机外壳，并与一级减速机重力最终作用至一级减速机上轴承。
下面单从中高速电机重力对一级减速机上轴承的受力进行简单分析，如下图9：
图9 减速箱上轴承受力及轴承外圈滚道磨损痕迹示意图
正常重力先作用至轴承外圈，通过外圈作用至滚动体，滚动体作用至内圈，内圈传递至轴。但因为悬臂力矩作用，在近电机侧滚动体与内圈配合处会形成一个支点，造成电机侧上轴承外圈靠受到向下的作用力，而对侧受到向上的作用力，导致上轴承外圈发生微微倾斜；
滚动体与上轴承内外圈滚道存在相互作用力，因为上述的倾斜，在近电机侧与远电机侧，上轴承外圈滚道受力分别为F2、F3，内圈滚道受力分别为F4、F5 。绿色箭头表示受力的轴向与径向分量；
上轴承内圈与涡轮轴一同旋转，在转动过程中，上轴承内外圈受力不均匀且受力方向不断变化，承受交变载荷，长期承受交变载荷会导致上轴承内外圈薄弱处损坏。
从现场拆检的实际部件损伤情况来看，上轴承内圈上部被咬裂出一段长约100mm的破口，内圈下部滚道面沿圆周方向有被剥落的痕迹，且在被咬裂的破口段有明显的爬坡痕迹，剥落轨迹由下部滚道面向上部滚道面发展，且被咬裂破口处剥落的痕迹与其它位置相比较深，如下图10所示。
轴承外圈上部滚道面沿圆周方向有被剥落的痕迹，在中高速电机对侧，被剥落的轨迹向外圈下部滚道面发展，且剥落的痕迹与其它位置相比较深，如图11与图12所示。
图10 上轴承内圈滚道剥落痕迹
图11 上轴承外圈滚道剥落痕迹
图12 上轴承外圈滚道剥落痕迹示意图
表2 设备自重对空心轴轴承（采用6017轴承）力学参数及轴承寿命影响
现场检查发现发现上轴承内圈滚动面最先失效，且其磨损痕迹与中高速电机悬臂力矩产生的受力分析相符。
2）轴承选型情况
经过调查，厂家在进行中高速一级减速机轴承载荷计算时，只考虑了涡轮蜗杆传动相关作用力，未将中高速一级减速机及中高速电机重力计算在内，因此根据该载荷计算结果将上轴承选用了SKF 6017深沟球轴承。设备重力对中高速一级减速机轴承受力，及使用深沟球轴承寿命见表2：
从计算结果可以看出，考虑设备自重时，厂家选型采用的6017深沟球轴承设计寿命只有24133小时，严重偏短。
3）中高速电机改造换型的影响
2016年，因中高速电机功率偏小问题改造换型，将各机组所有鼓形滤网驱动中高速电机在大修期间更换为变频电机（重量由120KG增加为150KG）。2016年之前，1号机运行两个循环，2/3号机运行1个循环，未出现中高速减速箱轴承损坏导致振动高的案例。2016年中高速电机换型之后，陆续在2017年4月和6月分别出现两次因中高速减速箱轴承损坏导致振动偏高的故障。
鼓网中高速减速箱上部轴承设计上承受了一定的轴向力，阳江1-4号机中高速电机改造换型后，电机增重了30KG，加重了上部轴承的轴向受力，进一步缩短了轴承使用寿命。
5 结束语
综上所述，电机的布置形式、重量等因素均会影响轴承的使用寿命，而根据电机的布置形式选择相对应型号的轴承也至关重要，需要在电机结构设计及布置时重点考虑。
论文作者:侯志国
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
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