离心风机球面滚子轴承失效分析

(1.福建福清核电有限公司 福建福清 350300； 2.广研检测(广州)有限公司 广东广州 510700)

球面滚子轴承因其具有承载能力高、自动调心、使用寿命长等特点，在电力、冶金、化工、铁路、航空等行业领域得到了广泛应用[1]，是旋转机械中最常用的机械零件。滚动轴承的工作状态直接影响整个设备的运行可靠性和安全性，但其使用过程中会受多种因素影响，易产生不同程度失效，如疲劳、磨损、变形、腐蚀、烧伤及保持架损坏等[2-3]。因此，对轴承进行失效分析，可有效预防故障，具有重要意义[4]。

1 故障分析背景

某核电站燃料厂房通风系统离心风机3DVK001ZV(以下简称A风机)、辅助给水泵房离心风机3DVG001ZV(以下简称B风机)均使用斯凯孚公司22213EK型球面滚子轴承，使用转速分别为1 800 r/min和2 930 r/min，采用SKF LGWA 2锂基脂。A风机于2016年2月份进行了油脂更换，3个月后补加润滑脂。同年9月22日风机轴承发生故障，解体发现轴承及轴均已烧毁，油脂烧干。图1所示为风机轴承外观情况，轴承内、外圈及保持架均粘附有大量黑色硬质结焦颗粒；内圈外滚道表面有规律间隔的压痕；保持架形状严重变形，部分区域出现断口(图1(c)中箭头处)。驱动轴端有锈蚀痕迹，非驱动端油脂有蠕化痕迹。风机前有冷却盘管，盘管正对着风机驱动端，距离有1.5 m左右，夏季盘管中产生的冷凝水会飘洒到驱动端轴承处。

另外在进行B风机解体检修过程中，发现润滑脂已严重变质，轴承也有锈蚀痕迹。为弄清A风机轴承失效、B风机轴承润滑不良的原因，对新脂、出现故障的在用脂以及损毁的轴承进行检测与分析。

图1 A风机驱动端轴承Fig 1 Drive end rolling bear of draught fan A (a) outer ring;(b) inner ring;(c) cage

2 检测结果及分析

试验样品为：SKF LGWA 2新脂；A风机驱动端轴承室内黑色干焦状的润滑脂变质产物(图2中圆圈内物质)；A风机非驱动端轴承在用润滑脂；B风机轴承在用润滑脂；B风机驱动端损毁轴承部件。

图2 A风机驱动端轴承脂(已损毁)Fig 2 Drive end rolling bear grease of draught fan A

根据润滑脂反映设备状态的故障分析经验[5]，对样品进行检测，以期根据检测数据查找或推断轴承故障原因。

2.1 SKF LGWA 2新脂分析

SKF LGWA 2脂是以矿物油为基础油的复合锂基润滑脂，具有极压性能。按SH/T 0535-93(2003)[6]标准中方法对新脂进行检测，标准要求及检测结果如表1所示。可以看出：(1)SKF LGWA 2新脂的烧结负荷较其典型值略有偏低；(2)新脂的烧结负荷、磨斑直径及蒸发度均不符合行业标准。较高的磨斑直径意味着润滑脂的抗磨性能较差，这可能是导致轴承异常磨损的一个重要原因。

2.2 水分污染对润滑脂抗磨性能的影响分析

考虑A风机驱动端中的润滑脂已烧干变质，不适合进行水分及其他润滑脂常规项目测试。因此设计模拟试验研究水分的影响。试验方案：向新脂中分别加入纯净水，配制水分质量分数为0.3%、0.5%、1%的润滑脂样品；对润滑脂样品进行摩擦磨损试验。试验结果如表2所示。

试验结果表明：(1)因抗磨添加剂会与水发生反应，随着润滑脂中水分的增加，润滑脂的抗磨性能明显下降；(2)当水分质量分数达到1%时，润滑脂油膜破裂，此时润滑脂的抗磨性能受水分污染影响严重。

2.3 润滑脂发射光谱元素分析

由于A风机非驱动端轴承(已损毁)润滑脂已经干涸，无法测试光谱元素，因此仅对A风机非驱动端轴承润滑脂、B风机轴承润滑脂进行了光谱分析，同时与SKF LGWA 2新脂的光谱分析结果进行对比，如表3所示。

表3 发射光谱分析结果Table 3 Results of emission spectrum analysis 10-6

结果表明：(1)该润滑脂中元素Li含量较高，表明皂基为锂基，与SKF LGWA 2官方的产品介绍相符；(2)A风机非驱动端轴承和B风机轴承的在用脂中Fe元素含量较高，Fe元素通常来源于轴承部件的磨损，因此A、B风机轴承均发生了异常磨损；(3)A风机非驱动端润滑脂中Mg、Ca、Si元素含量较高，可能来源于外部污染，不排除海水污染的可能。

2.4 润滑脂铁谱分析

分析式铁谱主要检测油脂中的磨损颗粒，根据磨粒的形貌、材质、尺寸、含量等对轴承的磨损程度及磨损类型进行评价[7]，并找出故障原因。

A风机驱动端轴承室内润滑脂残留物质的磨粒情况如图3所示。谱片上含有黑色的干焦状物质、橙黄色物质、粉尘及轴承磨损颗粒，干焦状物质可能为润滑脂烧干产生的积碳颗粒，橙黄色颗粒为锈蚀颗粒，表明润滑脂受到了水分污染。

图3 A风机驱动端轴承脂中的异常磨损颗粒Fig 3 Abnormal wear particle in drive end rolling bear grease of draught fan A

图4所示为A风机非驱动端轴承中的磨粒情况。从铁谱图可以看出，该轴承润滑脂中的磨损颗粒主要以疲劳颗粒和黏着擦伤颗粒为主，有个别颗粒表面有高温氧化痕迹；此外还有少量锈蚀颗粒，表明轴承润滑脂可能受到水分污染。图5所示为B风机轴承润滑脂的磨损颗粒，主要以疲劳颗粒和黏着擦伤颗粒为主，部分磨粒出现高温氧化痕迹。

黏着擦伤颗粒一般出现在滑动或滚滑摩擦副中，其成因是在高载荷的作用下，相互接触表面的微凸体发生变形，部分地方发生擦伤黏着。当摩擦副相对运动时，相互黏接的微凸体发生剪切或断裂，形成了黏着擦伤磨损颗粒。当擦伤黏着情况较为剧烈时，将会造成摩擦点的局部高温，使颗粒出现草黄色和蓝色的高温回火色，即图中颗粒的高温氧化痕迹。轴承润滑脂中发现了较多的黏着磨损颗粒，且颗粒表面呈现草黄色和蓝色的高温回火色，表明该轴承发生了早期的黏着磨损。

综上所述，对在用脂进行铁谱分析发现：(1)A风机驱动端轴承润滑脂可能受到水分污染，导致轴承出现锈蚀；(2)A风机非驱动端轴承中发现有高温氧化颗粒与锈蚀颗粒，轴承可能受到水分污染，存在早期异常磨损；(3)B风机轴承润滑脂中也发现有高温氧化颗粒，轴承存在早期异常磨损。

图4 A风机非驱动端轴承脂中的异常磨损颗粒Fig 4 Abnormal wear particle in non-drive end rolling bear grease of draught fan A

图5 B风机轴承脂中的异常磨损颗粒Fig 5 Abnormal wear particle in rolling bear grease of draught fan B

2.5 电镜能谱分析

由于A风机驱动端轴承润滑脂已烧干变质，无法检测润滑脂常规项目，故利用电镜能谱对该样品进行分析。电镜能谱分析可用于测试轴承摩擦表面的微观形貌和微区化学成分，是开展接触表面失效分析的重要检测方法。分别对A风机驱动端轴承及其轴承室里的润滑脂变质产物进行测试。

2.5.1 A风机驱动端轴承分析结果

图6所示为A风机驱动端轴承扫描电镜和能谱分析结果，各轴承部件元素质量分数如表4所示。

图6 A风机驱动端轴承SEM照片及EDS图Fig 6 SEM and EDS of drive end rolling bear of draught fan A (a) outer ring;(b) inner ring;(c) cage

表4 A风机驱动端轴承能谱分析结果Table 4 Energy spectrum analysis results of drive end rolling bear of draught fan A

图6(a)所示为A风机驱动端轴承外圈表面微观形貌及能谱分析结果，可见外圈表面损伤形貌以点蚀和犁沟为主[8]，有少量黏着磨损形成的凹坑，并密布有麻点，同时可以看到垂直于滚动方向有少量横向裂纹，是因在疲劳磨损时，会在次表面形成裂纹源，裂纹在反复的应力作用下，会沿横向扩展。故外圈主要磨损类型为黏着磨损和早期疲劳磨损。表4所示的外圈表面能谱分析结果表明：金属元素Fe、Mn、Cr含量较高，为轴承钢材料；元素C、O、Al、P、S为轴承脂及其添加剂残留，其中O元素也可能是轴承摩擦高温氧化的产物；元素Si分析可能是轴承脂受到污染，有异物侵入。

图6(b)所示为轴承内圈表面微观形貌及能谱分析结果，可见内圈表面较为平整，大面积黑色区域为润滑脂残留。内圈能谱分析结果与外圈基本相同，另有Zn元素存在，且含量较高，为轴承脂残留，与电镜结果相吻合。

图6(c)所示为轴承保持架表面微观形貌及能谱分析结果，可见保持架表面沉积有大量油泥积碳，无法对表面形貌进行详细分析。能谱分析结果表明C、O元素含量较高，为润滑脂残留及其氧化物。

2.5.2 润滑脂变质产物

因从轴承室中取到的润滑脂已变质成干焦状，无法有效对其分析。故将其浸于120号过滤汽油中，利用超声波清洗处理后进行分析，SEM照片及EDS分析结果如图7所示。

图7 润滑脂变质产物SEM照片及EDS图Fig 7 SEM and EDS of grease metamorphism

从图7中能谱分析结果可知：两颗粒元素含量分布基本相同，C元素含量较高，为积碳颗粒，通常是润滑剂在高温下产生；同时还含有少量金属元素Fe，来源于表面的钢质磨损颗粒。

综上所述，轴承的材料以Fe、Mn、Cr元素为主，为轴承钢；轴承各部件表面均发现有高含量的C和O元素，为残留的润滑剂高温氧化产物；轴承室内的润滑脂变质产物主要为积碳，并含有铁磨粒。

3 故障原因分析及解决措施

3.1 SKF LGWA 2在轴承中适应性分析

基础油为矿物油的2#复合锂基润滑脂SKF LGWA 2的基本使用参数：(1)温度范围为-20～130 ℃；(2)转速为中速，轴承速度因子n·dm=300 000 mm·r/min(n为额定转速，dm=1/2(D+d),D为轴承外径，d为轴承内径)。

风机轴承速度因子验证：

(a)A风机轴承

n·dm=n×0.5(D+d)=1 800×0.5(120+65)=

166 500<300 000 (mm·r/min)

(b)B风机轴承

n·dm=n×0.5(D+d)=2 930×0.5(120+65)=

271 025<300 000 r/min (mm·r/min)

故SKF LGWA 2可以满足A、B风机轴承的使用要求，但当电机转速达到2 930 r/min时，轴承速度因子指数接近其临界值。

3.2 轴承故障综合分析

根据上述检测结果，在排除安装因素、轴承质量等外部因素后，对可能引起轴承磨损故障的润滑原因进行分析。

(1)检测的SKF LGWA 2新润滑脂样品抗磨性能和蒸发损失不满足OEM和石化行业标准SH/T 0535-93(2003)中的参数要求。润滑脂抗磨性能差将难以在重负荷、冲击负荷下，有效降低轴承的磨损磨损；蒸发损失大会导致润滑脂在高温条件下稠度增大、使用寿命缩短，难以在轴承摩擦副表面建立起有效的油膜。

(2)通过对在用润滑脂的铁谱分析可知：A风机轴承谱片上有锈蚀颗粒，表明润滑脂受到水分污染。通过模拟试验可知，混入水分会严重影响润滑脂的抗磨性能，且轴承运行时，弹性流体动力润滑油膜易遭到破坏，使得摩擦副表面形成干摩擦，温度急剧升高。加之没有定期向轴承中添加润滑脂，导致轴承润滑不良，发生高温氧化，最终烧干润滑脂，烧伤轴承。其中保持架在轴承工作时会承受较大的离心力和冲击振动，缺少良好的润滑会使其发生故障。长期在该条件下运行，最终导致保持架断裂。B风机轴承因发现及时，避免了严重故障的发生，但其润滑脂也发生了严重变质，同样在谱片上发现了高温氧化痕迹。

3.3 解决措施

在找出轴承失效原因后，现场采取下列措施：

(1)在轴承工作环境中，做好防水、防尘工作，杜绝外界对润滑脂的污染。

(2)考虑SKF LGWA 2新脂抗磨性能较差，可能源于质量不合格或长时间存储导致氧化导致性能衰减，对现场的SKF LGWA 2润滑脂进行了全面检测核对，内容包括产品质量指标、产品合格证、仓储方式、生产及使用期限等，对不合格的新脂进行了处理。

(3)该类风机轴承若仍然使用“SKF LGWA 2”润滑脂，但要做好日常巡检，并定期加脂，采用少量多频次加注的方式。每次加脂量根据SKF推荐定为：wp=0.005×D×B=0.005×120×31=18.6 g(B为轴承宽度)，加脂周期考虑环境因素定为2个月。

4 结论

(1)目前在用的SKF LGWA 2型润滑脂可以满足A、B风机轴承的使用要求，但现场储存的新润滑脂存在性能指标下降的情况，需对其进行检测排查，选用符合使用要求的新脂对设备进行润滑。

(2)引起风机轴承失效的可能原因：一是新脂的部分性能参数不足导致设备未得到良好润滑；二是在用润滑脂受到水分污染，抗磨性能急剧下降，不能在摩擦副表面形成足够的油膜，导致摩擦副表面发生高温氧化，促使润滑脂失效，又未定期补加润滑脂，磨损加剧，最终烧干润滑脂，烧坏轴承。

(3)对故障轴承进行了更换修复，选用满足要求的润滑脂进行润滑，采用少量多次的定期加脂方式后，设备运行恢复正常。