水泵轴承失效原因分析及对策研究

水泵轴承失效原因分析及对策研究

王佳文 易兴鑫

中广核核电运营有限公司 广东省深圳市 518000

摘要：水泵是核电厂二回路给水系统中的重要设备，其运行的可靠性将直接影响电厂的安全运行。水泵轴承在运行中失效的原因有多种，譬如温度、压强、润滑情况、水泵转子与电机转子的连接方式等。本文通过阐述轴承的润滑情况，分析柔性异物导致轴承过早失效的原因、过程以及所造成的危害，揭示柔性异物对轴承使用寿命的影响，探讨如何通过改进工作方法来确保检修工作的质量，为今后提高设备故障的判断能力和检修工作水平提供了借鉴和参考。

关键词：轴承失效、水泵轴承、失效原因

1. 水泵轴承工作原理

1.1轴承工作环境

轴承是水泵上承载最大负荷的转动机械部件，同时也是一个精密部件，它的故障占到水泵所有故障中的八成以上，故轴承的可靠性直接影响到水泵的运行安全，因此需要持续对水泵轴承的失效因素进行不断的分析。在水泵轴承的运行过程中，轴承也经常会因为没有达到期额定的使用寿命而提前失效，导致设备停机并造成设备损坏。最主要的原因就是轴承的工作表面损伤，异物破坏了轴承的工作面，增大了其接触应力，加快了轴承的疲劳进程，导致了轴承润滑不良，缩短了轴承使用寿命。

1.2轴承润滑剂机理

为确保轴承处于良好的润滑状态，每台水泵电机在设计时都会采用适合自己工况的润滑方式。虽然润滑形式不同，但所起的作用一样。润滑介质在轴承各工作表面上形成一层润滑油膜，润滑各个运动部件的的表面。油膜把各个运动部件隔离开来，使它们不发生金属摩擦，减少磨损和发热；另外润滑介质还能带走局部高温热量，降低工作面温度趋于一致。润滑介质还是轴承保持架动态运动的阻尼介质。良好的润滑是提高轴承使用寿命最有效的方法之一。在轴承的正常工作过程，润滑剂必须参与到整个工作过程之中。

在轴承润滑良好时，滚子和滚道就会对润滑油形成挤压。在接触部位上由于负载压力的作用会使金属面产生轻微变形，使得接触面积稍有增大，由于润滑油受到挤压使得其粘度增大变得粘稠，因此在轴承滚子高速转动的过程中往往是润滑油尚未从摩擦副表面完全挤压出的瞬间就已经完成了一次“离合”挤压过程。在这个挤压过程中摩擦副表面上始终保持着一层均匀呈流体状态的油膜。

2. 柔性异物对轴承寿命的影响

轴承异物按照其性质可以大致分为柔性异物和刚性异物两类。刚性异物对轴承的损毁是直接的也是最严重，一般比较容易发现；而柔性异物由于比较细微，对于轴承的寿命的影响有一个过程，理论上没有那么的剧烈从而容易被人忽视。

所谓的柔性异是指机械硬度小，塑性大的物质。它有一定塑性、柔韧性和延展性，动物毛发就属于此类。动物毛发主要由蛋白质和角质体组成，它的机械强度很低，高温时很容易被碳化。但是它的柔韧性和延展性都非常好，当滚子碾压时，它对轴承的圆度和刚性不会产生影响，也不会在轴承的滚道上留下压痕，但它在被滚子推碾的过程中，在它的后侧滚子和滚道的接触区域内就会形成一定区间的乏油区。在乏油区内滚子和滚道之间的润滑状态就会由全流体润滑成贫油润滑，即边界润滑严重时形成干磨现象。

根据轴承的概率乘积定理，轴承套圈的失效概率是各个部件失效概率的乘积。由于轴承各个部件的受力方式和机械强度等因素的影响，外滚道失效概率要远远大于其他部件，因此本文着重讨论外滚道的失效机理。

轴承的工作表面加无论工多么精密，其微观上都是无数个任意分散的凹凸不平的微峰所组成，其表面的真实几何形状包括表面的形状偏差、表面波纹度和表面粗糙度等。由于滚动体和滚道在接触面积小，压强就很大。在互相接触的两个运动面上，如果处在边界润滑状态下，摩擦副表面仅被一层（0.1 um 左右）呈现非流动状态的润滑油膜所隔开（此时的油膜很不稳定）。此时的摩擦力比流体润滑状态下大很多，在相互接触的两个运动面上，由于摩擦力矩增大将会导致滚子滑动。由于缺少润滑膜的隔离，两表面轮廓峰就会直接地相互作用，滚道面上将受到很大切线方向的剪切力作用，轮廓凸峰刺破油膜，使得那些微小凸峰发生直接碰撞、脆性折断、塑性变形，并在凸峰根部产生微小的应力裂纹。

被碾压变形的毛发碎片会残留在滚子和滚道的接触区域内，这些残留物被挤压到表面凹谷内，将凹谷内残留的润滑油挤出，并破坏仅存的表面附着油膜，使得润滑状态更加恶劣并 趋向于干磨。

由于润滑油膜的缺失导致两个工作面上的金属凸峰相互撞击，一部分凸峰会断裂，另一部分由于撞击产生高温发生高温发生塑性变形造成黏结点的形成， 结点最终会再次发生撕裂，而发生撕裂的位置并非最初的黏结界面。导致材料在表面间发生转移。黏结点在形成和撕裂的过程中都会产生很高的热能熔点即“闪温”和冷焊现象。闪温不仅可以将毛发碎片碳化，还会将残余油膜氧化殆尽，从而造成干磨的现象，同时也形成一种机械化学磨损，使润滑状态更加恶劣。

在滑移摩擦过程中，由于力和热效应的作用，摩擦副表面将发生一系列的变化。表面形貌和微观接触形态在摩擦过程中不断的发生着变化；同时摩擦副表面组织吸附膜和氧化膜也将发生破裂，这种现象持续下去就会产生大量的微小裂纹，随着裂纹的不断扩展并互相连接，形成了微小的颗粒剥落，从而造成局部的表面损伤。这种损伤进一步扩展就会使那些微小的裂纹增值而覆盖在滚道面上，最终导致轴承表面产生更多微小的刚性异物颗粒。这些微小颗粒又会重新进入滚道，造成新的刚性异物损伤。刚性异物损伤是直接的和发展迅速的，造成的损害也是最严重的。这样周而复始的恶性循环造成大面积的表面疲劳损伤，这种损伤进一步扩展覆盖在滚道表面上形成麻点。这些麻点再进一步扩展连接成片，造成更大的裂纹和剥落，形成更多更大的硬颗粒异物。

3.针对水泵轴承失效的对策

轴承的磨损包含三个阶段：磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。完全流体润滑可以避免轴承滚动体与滚道之间的直接接触和碰撞。柔性异物是造成轴承磨损最直接的因素，会造成滚子接触区域内的边界润滑和干磨状态。轴承在磨合阶段（无异物存在）由于表面粗糙度等原因，滚子在滚道会发生滑移现象，但是由于是在完全流体润滑状态下发生的不会产生干磨和闪温现象，因此也不会对滚道造成损害；如果在贫油区发生滑移，则会对滚道造成不可逆的损害且损害会一直持续下去，因此在日常运行中要重点关注滚动接触部位乏油区造成的边界润滑问题。有效润滑是防止水泵轴承磨损最有效的方法，也是延长轴承使用寿命的有效措施。

轴承滚道由疲劳到损坏是由量到质变得过程，滚道表面裂纹产生前可以通过定期的检查避免最初贫油润滑的发生，杜绝裂纹的产生，尽最大的可能延长裂纹产生的起始时间，良好的润滑油是轴承正常工作的条件之一，又一层足够厚的润滑油能防止金属直接接触，预防材料过早的出现疲劳现象。

结语:

在通常的水泵轴承失效处理中轴承异物的理解更过的是关注刚性异物对轴承的影响，从而忽视柔性异物的负面作用。事实上柔性异物是刚性异物颗粒产生的诱因，作为检修人员在实际的工作中需要不断提高和完善工作方法来确保水泵轴承的正常运行，严格遵守工作程序防止异物进入导致水泵轴承失效。

参考文献：

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