某汽轮机给水泵机组的油泵轴承失效分析

某汽轮机给水泵机组的油泵轴承失效分析

李翠莹

国能宁夏大坝发电有限责任公司 ，宁夏回族自治区 751607

摘要：某汽轮机给水泵机组的油泵在运行约5000h后，发现轴承箱处振动值超过了规定值，初步判断为轴承失效。采用宏观痕迹分析、SEM形貌分析、金相分析、硬度检测、轴承寿命估算等方法分析了轴承的失效状况和原因，为该汽轮机给水泵机组的安全运行提供参考。结果表明：轴承滚道产生了不同程度的剥落现象；轴承滚道从近表面的非金属夹杂物处萌生次表面型疲劳裂纹，并向表面扩展，导致其产生接触疲劳，造成轴承滚道金属剥落，即失效形式为接触疲劳引起的疲劳剥落。相关研究成果能够为类似轴承失效原因分析提供参考。

关键词：汽轮机给水泵机组；振动；滚动轴承

1宏观痕迹分析

双联泵中靠信号泵处的轴承型号为61905深沟球轴承。如图1（a）、图1（b）所示，经目视检查发现该轴承的保持架已损坏，轴承滚珠表面呈龟裂的形貌，分3次随机选取了其中4颗滚珠，对其直径进行测量。直径尺寸测量结果如表1所示，由此可知滚珠已经磨损。

表1损坏滚珠尺寸测量值mm

图1轴承的宏观形貌

如图1（c）、图1（d）所示，该轴承的内、外滚道均存在明显的片状剥落和点状剥落，长度约为5mm，失效严重，为典型的接触疲劳剥落形貌。从轴承外滚道上可看出有反复受载的现象，为失效最为严重的部位，故对外滚道进行重点检测分析。

2SEM形貌分析

选取了剥落比较严重的轴承外滚道，使用JOEL6490LV扫描电镜对典型的失效部位进行了观察，其形貌如图2所示。从图2（b）中可以看到该轴承滚道剥落处因为受交变载荷表面产生的多次塑性变形，由图2（c）可以观察到明显的疲劳条带，轴承滚道剥落为疲劳剥落。

图2 SEM分析

3金相分析

3.1夹杂物分析

为了检测该轴承内滚道基体中夹杂物的形态和级别，取纵向样，磨制金相抛光后，基体中夹杂物形貌如图3所示。按GB/T10561-2005评定，轴承主要发现了A类细系夹杂物，A类夹杂评定为1.0级。满足GB/T29717-2013《滚动轴承风力发电机组偏航、变桨轴承》规定的夹杂物要求。另外，在外滚道上发现了与表面呈25°的次表面微裂纹，这是轴承发生的次表面起源型疲劳所致。

图3 内外滚道夹杂物分析

3.2金相组织分析

在该轴承外滚道的金相试样中可见多条显微裂纹，分布在滚道表面，可看出次表面起源型疲劳裂纹从非金属夹杂物处萌生（如图4），说明了该位置在工作中所承受的接触应力较大。

图4外滚道显微裂纹

4滚道的硬度检测

测试内外滚道的硬度值，测试位置分别为靠近滚道位置和滚道1/2厚度位置，硬度值为750~880HV1，所有轴承的内外滚道硬度均在750HV1以上，说明其滚道热处理质量很好，满足GB/T29717-2013《滚动轴承风力发电机组偏航、变桨轴承》规定的滚道表面硬度要求。

5轴承寿命估算

对双联泵中靠信号泵侧轴承的寿命进行估算。选择基本额定寿命L_10h作为轴承寿命评定的准则，双联泵两个轴承的原设计寿命均大于80000h。深沟球轴承的基本额定寿命计算式如下：

(1)

式中：L_10h为基本额定寿命，h；C为基本额定动载荷，N；P为当量动载荷，N；n为转速，r/min。

分析双联泵轴承受力情况，确定其径向载荷Fr、轴向载荷Fa，考虑冲击载荷的影响，求解轴承当量动载荷P，计算公式为

(2)

式中：X、Y分别为径向、轴向载荷系数；f_d为冲击载荷因数，轻微冲击时取1.2，中等冲击时取1.8。

大量试验证明，滚动轴承的疲劳寿命是相当离散的，同一批生产的同一型号轴承，在完全相同的条件下运转，疲劳寿命各不相同，甚至相差数十倍。为考虑到可靠度水平不同对轴承的寿命，可以采用以下公式修正基本额定寿命：

(3)

式中：α₁为可靠性寿命修正系数，可靠度90%时取1，可靠度99%时取0.21；α_ISO为系统方法的修正系数，常规润滑情况下可取1。

双联泵轴承支撑的重力加上外力未达到轴承所需最小（径向）负荷，为防止滚珠和滚道之间产生对轴承具损坏性的滑动运动，使用弹簧在轴承上施加了轴向预紧，但过大轴向载荷会严重影响深沟球轴承的工作寿命。对双联泵轴承进行寿命估算，并考虑降低预紧力（轴向载荷Fa）及冲击载荷因数fd对轴承寿命的影响，如表2所示。

表2双联泵轴承寿命估算

由表2可知，预紧力（轴向载荷F_a）及冲击载荷因数f_d都直接影响了轴承寿命。轴承（61905）承受的实际轴向载荷为200N，若考虑中等冲击，可靠度取99%，其计算寿命分别约为4587h，与双联泵轴承失效的实际情况相符。

结语

综合以上失效轴承的宏观痕迹分析、SEM形貌分析、金相分析、硬度检测、轴承寿命估算等方法的分析结果，得出以下结论：1）轴承失效过程为：轴承处于轻载、高速工况，由于在运行过程中在滚道表面发生接触疲劳，随后在非金属夹杂物处萌生疲劳裂纹，最终导致在滚道表面产生大量的片状剥落和点状剥落，引起轴承精度降低，振动烈度急剧增加。2）在双联泵轴承上施加的实际预紧力过大造成了轴承的寿命大大减小。3）滚动轴承疲劳失效主要原因通常为轴承选型不当或者安装不当造成。在排除安装问题后，由于滚动轴承寿命与其选型、安装、运行环境、本身制造质量等密切相关，耐冲击性能相对较差，可改为滑动轴承。

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