離心風機球面滾子軸承失效分析

楊明

摘要：對某懸臂離心風機用調心滾子軸承的失效進行了分析，認為由于電動機軸在運轉過程中發熱膨脹使聯軸器兩端面接觸或停機時異物進入聯軸器的兩端面之間，使得電動機端調心滾子軸承無軸向游隙，出現偏載，最終導致過早失效，并提出了改進措施。

關鍵詞：離心風機;調心滾子軸承;偏載;失效分析

引言

球面滾子軸承因其具有承載能力高、自動調心、使用壽命長等特點，在電力、冶金、化工、鐵路、航空等行業領域得到了廣泛應用，是旋轉機械中最常用的機械零件。

1故障原因分析

軸承在裝機運行的初期是正常的，這說明安裝過程并未對軸承造成嚴重損傷;在運行8個月后出現異常燒損，說明故障是在運行過程中產生并迅速加劇的。由于聯軸器的端面在徑向存在多條周向的擠壓痕跡，這表明電動機軸在運轉過程中發熱膨脹致使聯軸器兩端面接觸或停機時異物進入聯軸器的兩端面之間，使聯軸器端面受到一軸向載荷，從而引起電動機端調心滾子軸承內圈產生軸向偏移，使得該調心滾子軸承的軸向游隙減小為零。由于故障軸承靠近風機一側的滾子與內、外圈之間沒有軸向游隙，因此，軸承在1450r/min的高速運轉下形成偏載，偏載不但造成各列滾子間的載荷分配不均，還會引起單列滾子歪斜及打滑，造成局部應力集中，使滾子及相應內、外滾道部分區域疲勞，同時，滾子將與保持架、內圈、外圈產生干涉，出現劇烈摩擦。因偏載造成單列滾子和外滾道表面出現磨損和滾壓的凹痕。外滾道表面沿周向出現嚴重剝落，說明軸承在運行中該列滾動副之間產生嚴重擠壓摩擦，導致溫度升高，然后滾子出現粘連磨損造成疲勞剝落，剝落后的金屬堆積在外滾道整個圓周表面上，進而導致軸承燒毀，這與現場的損壞軸承是相吻合的。

2檢測結果及分析

試驗樣品為：SKFLGWA2新脂;A風機驅動端軸承室內黑色干焦狀的潤滑脂變質產物;A風機非驅動端軸承在用潤滑脂;B風機軸承在用潤滑脂;B風機驅動端損毀軸承部件。根據潤滑脂反映設備狀態的故障分析經驗，對樣品進行檢測，以期根據檢測數據查找或推斷軸承故障原因。

2.1SKFLGWA2新脂分析

SKFLGWA2脂是以礦物油為基礎油的復合鋰基潤滑脂，具有極壓性能。按SH/T0535-93（2003）標準中方法對新脂進行檢測，標準要求及檢測結果如表1所示。可以看出：（1）SKFLGWA2新脂的燒結負荷較其典型值略有偏低;（2）新脂的燒結負荷、磨斑直徑及蒸發度均不符合行業標準。較高的磨斑直徑意味著潤滑脂的抗磨性能較差，這可能是導致軸承異常磨損的一個重要原因。水分污染對潤滑脂抗磨性能的影響分析考慮A風機驅動端中的潤滑脂已燒干變質，不適合進行水分及其他潤滑脂常規項目測試。因此設計模擬試驗研究水分的影響。試驗方案：向新脂中分別加入純凈水，配制水分質量分數為0.3%、0.5%、1%的潤滑脂樣品;對潤滑脂樣品進行摩擦磨損試驗。

試驗結果表明：（1）因抗磨添加劑會與水發生反應，隨著潤滑脂中水分的增加，潤滑脂的抗磨性能明顯下降;（2）當水分質量分數達到1%時，潤滑脂油膜破裂，此時潤滑脂的抗磨性能受水分污染影響嚴重。

2.3潤滑脂發射光譜元素分析

由于A風機非驅動端軸承（已損毀）潤滑脂已經干涸，無法測試光譜元素，因此僅對A風機非驅動端軸承潤滑脂、B風機軸承潤滑脂進行了光譜分析，同時與SKFLGWA2新脂的光譜分析結果進行對比。結果表明：（1）該潤滑脂中元素Li含量較高，表明皂基為鋰基，與SKFLGWA2官方的產品介紹相符;（2）A風機非驅動端軸承和B風機軸承的在用脂中Fe元素含量較高，Fe元素通常來源于軸承部件的磨損，因此A、B風機軸承均發生了異常磨損;（3）A風機非驅動端潤滑脂中Mg、Ca、Si元素含量較高，可能來源于外部污染，不排除海水污染的可能。

2.4潤滑脂鐵譜分析

分析式鐵譜主要檢測油脂中的磨損顆粒，根據磨粒的形貌、材質、尺寸、含量等對軸承的磨損程度及磨損類型進行評價，并找出故障原因。

譜片上含有黑色的干焦狀物質、橙黃色物質、粉塵及軸承磨損顆粒，干焦狀物質可能為潤滑脂燒干產生的積碳顆粒，橙黃色顆粒為銹蝕顆粒，表明潤滑脂受到了水分污染。

從鐵譜圖可以看出，該軸承潤滑脂中的磨損顆粒主要以疲勞顆粒和黏著擦傷顆粒為主，有個別顆粒表面有高溫氧化痕跡;此外還有少量銹蝕顆粒，表明軸承潤滑脂可能受到水分污染。圖5所示為B風機軸承潤滑脂的磨損顆粒，主要以疲勞顆粒和黏著擦傷顆粒為主，部分磨粒出現高溫氧化痕跡。

黏著擦傷顆粒一般出現在滑動或滾滑摩擦副中，其成因是在高載荷的作用下，相互接觸表面的微凸體發生變形，部分地方發生擦傷黏著。當摩擦副相對運動時，相互黏接的微凸體發生剪切或斷裂，形成了黏著擦傷磨損顆粒。當擦傷黏著情況較為劇烈時，將會造成摩擦點的局部高溫，使顆粒出現草黃色和藍色的高溫回火色，即圖中顆粒的高溫氧化痕跡。軸承潤滑脂中發現了較多的黏著磨損顆粒，且顆粒表面呈現草黃色和藍色的高溫回火色，表明該軸承發生了早期的黏著磨損。

綜上所述，對在用脂進行鐵譜分析發現：（1）A風機驅動端軸承潤滑脂可能受到水分污染，導致軸承出現銹蝕;（2）A風機非驅動端軸承中發現有高溫氧化顆粒與銹蝕顆粒，軸承可能受到水分污染，存在早期異常磨損;（3）B風機軸承潤滑脂中也發現有高溫氧化顆粒，軸承存在早期異常磨損。

3結束語

根據上述分析可知，由于電動機軸在運轉過程中發熱膨脹使聯軸器兩端面接觸或停機時異物進入聯軸器的兩端面之間，使得電動機端調心滾子軸承無軸向游隙，出現偏載，最終導致過早失效。因此，建議加強設備檢查，確保聯軸器間端面有合適的間隙，并對軸承箱內潤滑油定期檢查更換，確保油位及質量。

參考文獻

[1]趙宏偉，王振華，陳步權.多列滾動軸承的偏載及機構分析[J].寶鋼技術，2001（3）：24-27.

[2]趙春光.軋機四列圓錐滾子軸承有限元分析與實驗研究[D].河北：燕山大學，2010.

[3]吳又南，劉雙發.新編滾動軸承應用技術手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1997.