摘要：在對(duì)某核電廠1號(hào)機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)(RAM)電動(dòng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行常規(guī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)2號(hào)發(fā)電機(jī)(1RAM002GE)驅(qū)動(dòng)端滾動(dòng)軸承存在尖銳異音，且振動(dòng)水平在較短時(shí)間內(nèi)有明顯上漲。通過對(duì)振動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行合理跟蹤，對(duì)頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合滾動(dòng)軸承故障發(fā)展特點(diǎn)，成功診斷出故障原因?yàn)闈L動(dòng)軸承內(nèi)圈存在磨損剝落缺陷。

核電廠運(yùn)行需要電機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等大量的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備行使各類介質(zhì)輸送功能，而對(duì)于這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備而言，滾動(dòng)軸承是非常重要且易損的元件之一。當(dāng)滾動(dòng)軸承零件表面發(fā)生損傷時(shí)，損傷的單元隨著滾動(dòng)體與內(nèi)圈、外圈之間交變力的作用，相互擠壓、磨損引起軸承較大的振動(dòng)響應(yīng)。根據(jù)軸承的損傷程度及損傷零部件的不同，反映在振動(dòng)幅值和頻譜特征上也不盡相同。因此，核電廠運(yùn)行維護(hù)人員可以通過跟蹤滾動(dòng)軸承振動(dòng)變化趨勢(shì)，識(shí)別特征頻率，來判斷滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障診斷的目的。

1、滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)及振動(dòng)特征

典型的滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)如圖1，由滾動(dòng)體、保持架、外圈、內(nèi)圈四個(gè)結(jié)構(gòu)部件組成。通常外圈裝配在軸承座上，內(nèi)圈裝配在軸頸上，外圈固定，而內(nèi)圈隨軸頸旋轉(zhuǎn)。根據(jù)滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)不同，滾動(dòng)軸承可分為深溝球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承等，可根據(jù)載荷的不同應(yīng)用于不同安裝場(chǎng)景。

滾動(dòng)軸承的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了，各結(jié)構(gòu)件在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)承受交變載荷。即使正常安裝且合理維護(hù)的軸承，在運(yùn)行一段時(shí)間后，也可能會(huì)出現(xiàn)疲勞剝落或表面磨損等各種形式的缺陷。

由于軸承的旋轉(zhuǎn)特性，當(dāng)某個(gè)結(jié)構(gòu)件發(fā)生缺陷后，會(huì)在振動(dòng)頻譜上產(chǎn)生表征該結(jié)構(gòu)件缺陷的特征頻率分量。各結(jié)構(gòu)件的特征頻率計(jì)算公式見表1。

在實(shí)際的滾動(dòng)軸承故障診斷中，診斷工程師通過振動(dòng)分析診斷儀器，分析識(shí)別滾動(dòng)軸承的實(shí)際振動(dòng)頻率并與計(jì)算的特征頻率進(jìn)行對(duì)比分析。識(shí)別測(cè)量頻率中某個(gè)結(jié)構(gòu)部件的特征頻率，以此判斷滾動(dòng)軸承可能的缺陷部位，然后根據(jù)該頻率分量的幅值大小及變化趨勢(shì)判斷缺陷的嚴(yán)重程度。

2、故障背景介紹

2.1 設(shè)備參數(shù)簡(jiǎn)介

在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)（RAM）為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)供電。該系統(tǒng)為交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，輸出電壓為260V。在結(jié)構(gòu)上，聯(lián)軸器位置設(shè)計(jì)有慣性飛輪，在電網(wǎng)瞬時(shí)失電時(shí)，可維持一定時(shí)間的供電輸出。該系統(tǒng)由兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的，正常情況下兩列同時(shí)運(yùn)行，其中一列正常供電，另外一列保持熱備用。

電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)采用柔性連接，兩者位于共同的支撐基座上，支撐基座靠地腳螺栓安裝在基礎(chǔ)上，設(shè)備結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置如圖2。

異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)：型號(hào)Y2-315M-4/135W，鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1485r/min，滾動(dòng)軸承型號(hào)SKF-6319;

同步發(fā)電機(jī)參數(shù)：型號(hào)TFWS100-4/100W，無刷勵(lì)磁，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，滾動(dòng)軸承型號(hào)：驅(qū)動(dòng)端SKF-NU322ECJ/C3；非驅(qū)動(dòng)端6324/C3。

2.2 故障問題描述

電廠巡檢人員在進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)發(fā)電機(jī)（1RAM002GE）驅(qū)動(dòng)端軸承存在惡劣的噪音，且軸承端蓋位置有黑色油脂甩出。使用便攜式振動(dòng)分析儀Dynamix2500采集記錄設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)，見表2。

各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是與歷史測(cè)量值比較，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直向（GBD-V）振動(dòng)由1.8mm/s上漲為3.4mm/s，漲幅較為明顯。為改善軸承運(yùn)行噪音，緩解甩油對(duì)軸承潤滑造成的不良影響，防止振動(dòng)狀態(tài)惡化，維修專業(yè)對(duì)該軸承進(jìn)行了補(bǔ)油處理。

在后續(xù)對(duì)該軸承的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直向（GBD-V）的振動(dòng)值持續(xù)上漲（圖3），在三周內(nèi)上漲至6.2mm/s，漲幅明顯且上漲速率較快，超過了廠家提供的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)及國標(biāo)GB/T-6075.3要求的4.5mm/s的振動(dòng)限值，需停機(jī)進(jìn)行檢修。

3、原因分析和故障診斷

3.1 原因分析

查看監(jiān)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過GBD-V測(cè)點(diǎn)的瀑布圖（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，在軸承振動(dòng)變化過程中，頻譜結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化，各頻率分量的整體上漲及某些頻率分量的大幅上漲是引起該測(cè)點(diǎn)振動(dòng)上漲的主要因素。

結(jié)合該測(cè)點(diǎn)的頻譜圖（圖5）分析，引起軸承振動(dòng)上漲的主要頻率分量為422.8Hz及其左右轉(zhuǎn)速邊帶。其中，422.8Hz的幅值由0.54mm/s上漲至4.43mm/s，其右轉(zhuǎn)速邊帶頻率447.6Hz的幅值由1.24mm/s上漲至2.18mm/s。因此，有效判斷422.8Hz頻率分量的產(chǎn)生因素是后續(xù)故障診斷的關(guān)鍵。

進(jìn)一步分析，422.8Hz頻率分量為211.3Hz的2倍諧波，且頻譜結(jié)構(gòu)中還存在211.3Hz的3倍、4倍諧波分量，所以需首先確認(rèn)211.3Hz的來源。

該設(shè)備的工頻為24.85Hz,211.3Hz為其工頻振動(dòng)的8.5倍（非整數(shù)倍），通過診斷經(jīng)驗(yàn)，可以排除轉(zhuǎn)子不平衡、聯(lián)軸器對(duì)中偏差、設(shè)備基礎(chǔ)安裝不規(guī)范等結(jié)構(gòu)性缺陷。結(jié)合前期發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承室甩出的油脂較黑，且軸承運(yùn)行噪音劇烈，初步分析引起211.3Hz及其相關(guān)頻率分量上漲的原因可能為軸承缺陷。

查詢技術(shù)規(guī)范書，設(shè)備驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)為SKF-NU322ECJ/C3，根據(jù)SKF滾動(dòng)軸承手冊(cè)參數(shù)，通過計(jì)算可得該滾動(dòng)軸承各部件的特征頻率如表3所示。

經(jīng)與滾動(dòng)軸承特征頻率比對(duì)，振動(dòng)頻譜中出現(xiàn)的211.3Hz與軸承NU322ECJ/C3內(nèi)圈故障頻率208.55Hz接近。考慮到軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的偏差及測(cè)量誤差，可以判斷211.3Hz為該軸承的內(nèi)圈故障特征頻率。因此，引起該軸承振動(dòng)上漲的主要頻率分量為滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障頻率的2倍諧波及其轉(zhuǎn)速邊帶。

參考滾動(dòng)軸承故障發(fā)展階段理論，當(dāng)前該軸承運(yùn)行溫度較高，現(xiàn)場(chǎng)噪音較大，振動(dòng)水平總量有大幅提升，且振動(dòng)速度頻譜上比較清楚的可見軸承故障頻率及其諧波和邊帶，軸承故障振動(dòng)頻率大都出現(xiàn)在1-1000Hz范圍內(nèi)，加油對(duì)軸承狀態(tài)無明顯改善，綜合判斷該軸承壽命已處于故障發(fā)展的第三階段，即軸承磨損開始擴(kuò)展，大概率已產(chǎn)生肉眼可見的磨損缺陷，建議予以更換新軸承。

3.2 診斷結(jié)論

綜上分析，可以得出1RAM002GE發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端滾動(dòng)軸承油脂較黑，運(yùn)行噪音劇烈、振動(dòng)持續(xù)上漲的原因?yàn)檩S承內(nèi)圈出現(xiàn)損傷，通過加油手段并未有效緩解軸承損傷的發(fā)展。在后續(xù)的運(yùn)行過程中，該內(nèi)圈損傷進(jìn)一步發(fā)展為明顯磨損缺陷，最終導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)超過報(bào)警值。

3.3 檢修驗(yàn)證

經(jīng)過分析討論，電廠管理者決策對(duì)該電動(dòng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行停機(jī)檢修，更換發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承。對(duì)軸承解體發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)圈已有較明顯的剝落損傷，同時(shí)由于時(shí)間帶病運(yùn)行，缺陷擴(kuò)展至部分圓柱滾子也存在損傷，有3顆圓柱滾子表面也出現(xiàn)局部剝落（圖6）。

更換軸承后啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，穩(wěn)定運(yùn)行后對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，設(shè)備振動(dòng)恢復(fù)至較低水平（表4），且軸承運(yùn)轉(zhuǎn)聲音平穩(wěn)，噪音消失。

4、結(jié)論

在本次滾動(dòng)軸承故障診斷的實(shí)例中，電廠技術(shù)人員通過對(duì)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)振動(dòng)幅值進(jìn)行趨勢(shì)跟蹤，對(duì)頻譜特征進(jìn)行對(duì)比分析。在軸承振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，有效識(shí)別出引起振動(dòng)變化的主要頻率分量為滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障相關(guān)頻率，并參考滾動(dòng)軸承故障發(fā)展理論，判斷出軸承的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)提出維修建議，保證了設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

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文章來源：程彬,周淋,左雙龍,張昱瑩.電動(dòng)發(fā)電機(jī)組滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2022(05):109-111.

文章來源：論文一線