(1.福建福清核電有限公司 福建福清 350300； 2.廣研檢測(cè)(廣州)有限公司 廣東廣州 510700)

球面滾子軸承因其具有承載能力高、自動(dòng)調(diào)心、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在電力、冶金、化工、鐵路、航空等行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常用的機(jī)械零件。滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)直接影響整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行可靠性和安全性，但其使用過(guò)程中會(huì)受多種因素影響，易產(chǎn)生不同程度失效，如疲勞、磨損、變形、腐蝕、燒傷及保持架損壞等[2-3]。因此，對(duì)軸承進(jìn)行失效分析，可有效預(yù)防故障，具有重要意義[4]。

1 故障分析背景

某核電站燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)3DVK001ZV(以下簡(jiǎn)稱A風(fēng)機(jī))、輔助給水泵房離心風(fēng)機(jī)3DVG001ZV(以下簡(jiǎn)稱B風(fēng)機(jī))均使用斯凱孚公司22213EK型球面滾子軸承，使用轉(zhuǎn)速分別為1 800 r/min和2 930 r/min，采用SKF LGWA 2鋰基脂。A風(fēng)機(jī)于2016年2月份進(jìn)行了油脂更換，3個(gè)月后補(bǔ)加潤(rùn)滑脂。同年9月22日風(fēng)機(jī)軸承發(fā)生故障，解體發(fā)現(xiàn)軸承及軸均已燒毀，油脂燒干。圖1所示為風(fēng)機(jī)軸承外觀情況，軸承內(nèi)、外圈及保持架均粘附有大量黑色硬質(zhì)結(jié)焦顆粒；內(nèi)圈外滾道表面有規(guī)律間隔的壓痕；保持架形狀嚴(yán)重變形，部分區(qū)域出現(xiàn)斷口(圖1(c)中箭頭處)。驅(qū)動(dòng)軸端有銹蝕痕跡，非驅(qū)動(dòng)端油脂有蠕化痕跡。風(fēng)機(jī)前有冷卻盤(pán)管，盤(pán)管正對(duì)著風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端，距離有1.5 m左右，夏季盤(pán)管中產(chǎn)生的冷凝水會(huì)飄灑到驅(qū)動(dòng)端軸承處。

另外在進(jìn)行B風(fēng)機(jī)解體檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂已嚴(yán)重變質(zhì)，軸承也有銹蝕痕跡。為弄清A風(fēng)機(jī)軸承失效、B風(fēng)機(jī)軸承潤(rùn)滑不良的原因，對(duì)新脂、出現(xiàn)故障的在用脂以及損毀的軸承進(jìn)行檢測(cè)與分析。

圖1 A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承Fig 1 Drive end rolling bear of draught fan A (a) outer ring;(b) inner ring;(c) cage

2 檢測(cè)結(jié)果及分析

試驗(yàn)樣品為：SKF LGWA 2新脂；A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承室內(nèi)黑色干焦?fàn)畹臐?rùn)滑脂變質(zhì)產(chǎn)物(圖2中圓圈內(nèi)物質(zhì))；A風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承在用潤(rùn)滑脂；B風(fēng)機(jī)軸承在用潤(rùn)滑脂；B風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端損毀軸承部件。

圖2 A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承脂(已損毀)Fig 2 Drive end rolling bear grease of draught fan A

根據(jù)潤(rùn)滑脂反映設(shè)備狀態(tài)的故障分析經(jīng)驗(yàn)[5]，對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，以期根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)查找或推斷軸承故障原因。

2.1 SKF LGWA 2新脂分析

SKF LGWA 2脂是以礦物油為基礎(chǔ)油的復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂，具有極壓性能。按SH/T 0535-93(2003)[6]標(biāo)準(zhǔn)中方法對(duì)新脂進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)要求及檢測(cè)結(jié)果如表1所示。可以看出：(1)SKF LGWA 2新脂的燒結(jié)負(fù)荷較其典型值略有偏低；(2)新脂的燒結(jié)負(fù)荷、磨斑直徑及蒸發(fā)度均不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。較高的磨斑直徑意味著潤(rùn)滑脂的抗磨性能較差，這可能是導(dǎo)致軸承異常磨損的一個(gè)重要原因。

2.2 水分污染對(duì)潤(rùn)滑脂抗磨性能的影響分析

考慮A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端中的潤(rùn)滑脂已燒干變質(zhì)，不適合進(jìn)行水分及其他潤(rùn)滑脂常規(guī)項(xiàng)目測(cè)試。因此設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)研究水分的影響。試驗(yàn)方案：向新脂中分別加入純凈水，配制水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.5%、1%的潤(rùn)滑脂樣品；對(duì)潤(rùn)滑脂樣品進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)因抗磨添加劑會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)，隨著潤(rùn)滑脂中水分的增加，潤(rùn)滑脂的抗磨性能明顯下降；(2)當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時(shí)，潤(rùn)滑脂油膜破裂，此時(shí)潤(rùn)滑脂的抗磨性能受水分污染影響嚴(yán)重。

2.3 潤(rùn)滑脂發(fā)射光譜元素分析

由于A風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承(已損毀)潤(rùn)滑脂已經(jīng)干涸，無(wú)法測(cè)試光譜元素，因此僅對(duì)A風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承潤(rùn)滑脂、B風(fēng)機(jī)軸承潤(rùn)滑脂進(jìn)行了光譜分析，同時(shí)與SKF LGWA 2新脂的光譜分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 發(fā)射光譜分析結(jié)果Table 3 Results of emission spectrum analysis 10-6

結(jié)果表明：(1)該潤(rùn)滑脂中元素Li含量較高，表明皂基為鋰基，與SKF LGWA 2官方的產(chǎn)品介紹相符；(2)A風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承和B風(fēng)機(jī)軸承的在用脂中Fe元素含量較高，F(xiàn)e元素通常來(lái)源于軸承部件的磨損，因此A、B風(fēng)機(jī)軸承均發(fā)生了異常磨損；(3)A風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端潤(rùn)滑脂中Mg、Ca、Si元素含量較高，可能來(lái)源于外部污染，不排除海水污染的可能。

2.4 潤(rùn)滑脂鐵譜分析

分析式鐵譜主要檢測(cè)油脂中的磨損顆粒，根據(jù)磨粒的形貌、材質(zhì)、尺寸、含量等對(duì)軸承的磨損程度及磨損類型進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]，并找出故障原因。

A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承室內(nèi)潤(rùn)滑脂殘留物質(zhì)的磨粒情況如圖3所示。譜片上含有黑色的干焦?fàn)钗镔|(zhì)、橙黃色物質(zhì)、粉塵及軸承磨損顆粒，干焦?fàn)钗镔|(zhì)可能為潤(rùn)滑脂燒干產(chǎn)生的積碳顆粒，橙黃色顆粒為銹蝕顆粒，表明潤(rùn)滑脂受到了水分污染。

圖3 A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承脂中的異常磨損顆粒Fig 3 Abnormal wear particle in drive end rolling bear grease of draught fan A

圖4所示為A風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承中的磨粒情況。從鐵譜圖可以看出，該軸承潤(rùn)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(gè)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(rùn)滑脂可能受到水分污染。圖5所示為B風(fēng)機(jī)軸承潤(rùn)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(xiàn)高溫氧化痕跡。

黏著擦傷顆粒一般出現(xiàn)在滑動(dòng)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(fā)生變形，部分地方發(fā)生擦傷黏著。當(dāng)摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互黏接的微凸體發(fā)生剪切或斷裂，形成了黏著擦傷磨損顆粒。當(dāng)擦傷黏著情況較為劇烈時(shí)，將會(huì)造成摩擦點(diǎn)的局部高溫，使顆粒出現(xiàn)草黃色和藍(lán)色的高溫回火色，即圖中顆粒的高溫氧化痕跡。軸承潤(rùn)滑脂中發(fā)現(xiàn)了較多的黏著磨損顆粒，且顆粒表面呈現(xiàn)草黃色和藍(lán)色的高溫回火色，表明該軸承發(fā)生了早期的黏著磨損。

綜上所述，對(duì)在用脂進(jìn)行鐵譜分析發(fā)現(xiàn)：(1)A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承潤(rùn)滑脂可能受到水分污染，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)銹蝕；(2)A風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承中發(fā)現(xiàn)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(fēng)機(jī)軸承潤(rùn)滑脂中也發(fā)現(xiàn)有高溫氧化顆粒，軸承存在早期異常磨損。

圖4 A風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承脂中的異常磨損顆粒Fig 4 Abnormal wear particle in non-drive end rolling bear grease of draught fan A

圖5 B風(fēng)機(jī)軸承脂中的異常磨損顆粒Fig 5 Abnormal wear particle in rolling bear grease of draught fan B

2.5 電鏡能譜分析

由于A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承潤(rùn)滑脂已燒干變質(zhì)，無(wú)法檢測(cè)潤(rùn)滑脂常規(guī)項(xiàng)目，故利用電鏡能譜對(duì)該樣品進(jìn)行分析。電鏡能譜分析可用于測(cè)試軸承摩擦表面的微觀形貌和微區(qū)化學(xué)成分，是開(kāi)展接觸表面失效分析的重要檢測(cè)方法。分別對(duì)A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承及其軸承室里的潤(rùn)滑脂變質(zhì)產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試。

2.5.1 A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承分析結(jié)果

圖6所示為A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承掃描電鏡和能譜分析結(jié)果，各軸承部件元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表4所示。

圖6 A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承SEM照片及EDS圖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風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承能譜分析結(jié)果Table 4 Energy spectrum analysis results of drive end rolling bear of draught fan A

圖6(a)所示為A風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承外圈表面微觀形貌及能譜分析結(jié)果，可見(jiàn)外圈表面損傷形貌以點(diǎn)蝕和犁溝為主[8]，有少量黏著磨損形成的凹坑，并密布有麻點(diǎn)，同時(shí)可以看到垂直于滾動(dòng)方向有少量橫向裂紋，是因在疲勞磨損時(shí)，會(huì)在次表面形成裂紋源，裂紋在反復(fù)的應(yīng)力作用下，會(huì)沿橫向擴(kuò)展。故外圈主要磨損類型為黏著磨損和早期疲勞磨損。表4所示的外圈表面能譜分析結(jié)果表明：金屬元素Fe、Mn、Cr含量較高，為軸承鋼材料；元素C、O、Al、P、S為軸承脂及其添加劑殘留，其中O元素也可能是軸承摩擦高溫氧化的產(chǎn)物；元素Si分析可能是軸承脂受到污染，有異物侵入。

圖6(b)所示為軸承內(nèi)圈表面微觀形貌及能譜分析結(jié)果，可見(jiàn)內(nèi)圈表面較為平整，大面積黑色區(qū)域?yàn)闈?rùn)滑脂殘留。內(nèi)圈能譜分析結(jié)果與外圈基本相同，另有Zn元素存在，且含量較高，為軸承脂殘留，與電鏡結(jié)果相吻合。

圖6(c)所示為軸承保持架表面微觀形貌及能譜分析結(jié)果，可見(jiàn)保持架表面沉積有大量油泥積碳，無(wú)法對(duì)表面形貌進(jìn)行詳細(xì)分析。能譜分析結(jié)果表明C、O元素含量較高，為潤(rùn)滑脂殘留及其氧化物。

2.5.2 潤(rùn)滑脂變質(zhì)產(chǎn)物

因從軸承室中取到的潤(rùn)滑脂已變質(zhì)成干焦?fàn)?，無(wú)法有效對(duì)其分析。故將其浸于120號(hào)過(guò)濾汽油中，利用超聲波清洗處理后進(jìn)行分析，SEM照片及EDS分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 潤(rùn)滑脂變質(zhì)產(chǎn)物SEM照片及EDS圖Fig 7 SEM and EDS of grease metamorphism

從圖7中能譜分析結(jié)果可知：兩顆粒元素含量分布基本相同，C元素含量較高，為積碳顆粒，通常是潤(rùn)滑劑在高溫下產(chǎn)生；同時(shí)還含有少量金屬元素Fe，來(lái)源于表面的鋼質(zhì)磨損顆粒。

綜上所述，軸承的材料以Fe、Mn、Cr元素為主，為軸承鋼；軸承各部件表面均發(fā)現(xiàn)有高含量的C和O元素，為殘留的潤(rùn)滑劑高溫氧化產(chǎn)物；軸承室內(nèi)的潤(rùn)滑脂變質(zhì)產(chǎn)物主要為積碳，并含有鐵磨粒。

3 故障原因分析及解決措施

3.1 SKF LGWA 2在軸承中適應(yīng)性分析

基礎(chǔ)油為礦物油的2#復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂SKF LGWA 2的基本使用參數(shù)：(1)溫度范圍為-20～130 ℃；(2)轉(zhuǎn)速為中速，軸承速度因子n·dm=300 000 mm·r/min(n為額定轉(zhuǎn)速，dm=1/2(D+d),D為軸承外徑，d為軸承內(nèi)徑)。

風(fēng)機(jī)軸承速度因子驗(yàn)證：

(a)A風(fēng)機(jī)軸承

n·dm=n×0.5(D+d)=1 800×0.5(120+65)=

166 500<300 000 (mm·r/min)

(b)B風(fēng)機(jī)軸承

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可以滿足A、B風(fēng)機(jī)軸承的使用要求，但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 930 r/min時(shí)，軸承速度因子指數(shù)接近其臨界值。

3.2 軸承故障綜合分析

根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，在排除安裝因素、軸承質(zhì)量等外部因素后，對(duì)可能引起軸承磨損故障的潤(rùn)滑原因進(jìn)行分析。

(1)檢測(cè)的SKF LGWA 2新潤(rùn)滑脂樣品抗磨性能和蒸發(fā)損失不滿足OEM和石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0535-93(2003)中的參數(shù)要求。潤(rùn)滑脂抗磨性能差將難以在重負(fù)荷、沖擊負(fù)荷下，有效降低軸承的磨損磨損；蒸發(fā)損失大會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑脂在高溫條件下稠度增大、使用壽命縮短，難以在軸承摩擦副表面建立起有效的油膜。

(2)通過(guò)對(duì)在用潤(rùn)滑脂的鐵譜分析可知：A風(fēng)機(jī)軸承譜片上有銹蝕顆粒，表明潤(rùn)滑脂受到水分污染。通過(guò)模擬試驗(yàn)可知，混入水分會(huì)嚴(yán)重影響潤(rùn)滑脂的抗磨性能，且軸承運(yùn)行時(shí)，彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜易遭到破壞，使得摩擦副表面形成干摩擦，溫度急劇升高。加之沒(méi)有定期向軸承中添加潤(rùn)滑脂，導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑不良，發(fā)生高溫氧化，最終燒干潤(rùn)滑脂，燒傷軸承。其中保持架在軸承工作時(shí)會(huì)承受較大的離心力和沖擊振動(dòng)，缺少良好的潤(rùn)滑會(huì)使其發(fā)生故障。長(zhǎng)期在該條件下運(yùn)行，最終導(dǎo)致保持架斷裂。B風(fēng)機(jī)軸承因發(fā)現(xiàn)及時(shí)，避免了嚴(yán)重故障的發(fā)生，但其潤(rùn)滑脂也發(fā)生了嚴(yán)重變質(zhì)，同樣在譜片上發(fā)現(xiàn)了高溫氧化痕跡。

3.3 解決措施

在找出軸承失效原因后，現(xiàn)場(chǎng)采取下列措施：

(1)在軸承工作環(huán)境中，做好防水、防塵工作，杜絕外界對(duì)潤(rùn)滑脂的污染。

(2)考慮SKF LGWA 2新脂抗磨性能較差，可能源于質(zhì)量不合格或長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)導(dǎo)致氧化導(dǎo)致性能衰減，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的SKF LGWA 2潤(rùn)滑脂進(jìn)行了全面檢測(cè)核對(duì)，內(nèi)容包括產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品合格證、倉(cāng)儲(chǔ)方式、生產(chǎn)及使用期限等，對(duì)不合格的新脂進(jìn)行了處理。

(3)該類風(fēng)機(jī)軸承若仍然使用“SKF LGWA 2”潤(rùn)滑脂，但要做好日常巡檢，并定期加脂，采用少量多頻次加注的方式。每次加脂量根據(jù)SKF推薦定為：wp=0.005×D×B=0.005×120×31=18.6 g(B為軸承寬度)，加脂周期考慮環(huán)境因素定為2個(gè)月。

4 結(jié)論

(1)目前在用的SKF LGWA 2型潤(rùn)滑脂可以滿足A、B風(fēng)機(jī)軸承的使用要求，但現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存的新潤(rùn)滑脂存在性能指標(biāo)下降的情況，需對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)排查，選用符合使用要求的新脂對(duì)設(shè)備進(jìn)行潤(rùn)滑。

(2)引起風(fēng)機(jī)軸承失效的可能原因：一是新脂的部分性能參數(shù)不足導(dǎo)致設(shè)備未得到良好潤(rùn)滑；二是在用潤(rùn)滑脂受到水分污染，抗磨性能急劇下降，不能在摩擦副表面形成足夠的油膜，導(dǎo)致摩擦副表面發(fā)生高溫氧化，促使?jié)櫥В治炊ㄆ谘a(bǔ)加潤(rùn)滑脂，磨損加劇，最終燒干潤(rùn)滑脂，燒壞軸承。

(3)對(duì)故障軸承進(jìn)行了更換修復(fù)，選用滿足要求的潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑，采用少量多次的定期加脂方式后，設(shè)備運(yùn)行恢復(fù)正常。