程彬 周淋 左雙龍 張昱瑩

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(guò)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(guò)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。

Abstract： During the routine vibration condition monitoring of the control rod drive mechanism power supply system （RAM） electric generator set in ?Nuclear Power Plant， it was found that there was sharp abnormal sound in the rolling bearing of the drive end of No. 2 generator （1RAM002GE）， and the vibration level increased obviously in a short time. By tracing the vibration trend reasonably， comparing and analyzing the spectrum structure， combining with the characteristics of rolling bearing fault development， the failure reason was successfully diagnosed as wear and spalling defect of the inner ring of rolling bearing.

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承;振動(dòng)監(jiān)測(cè);頻譜分析;特征頻率

Key words： rolling bearing;vibration monitoring;spectrum analysis;characteristic frequency

中圖分類號(hào)：TH133.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）05-0109-03

0 ?引言

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(guò)跟蹤滾動(dòng)軸承振動(dòng)變化趨勢(shì)，識(shí)別特征頻率，來(lái)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(guò)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(jiàn)表1。

在實(shí)際的滾動(dòng)軸承故障診斷中，診斷工程師通過(guò)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(wú)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(wèn)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(jiàn)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(rùn)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(guò)了廠家提供的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)及國(guó)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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?？紤]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(jiàn)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(wú)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(kāi)始擴(kuò)展，大概率已產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)報(bào)警值。

3.3 檢修驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)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(guò)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊國(guó)安.滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2012.

[2]黃志堅(jiān).機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[3]（美）哈里斯（T.A.）等著;羅繼偉，馬偉等譯.滾動(dòng)軸承分析：原書第5版.第一卷，軸承技術(shù)的基本概念[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019，10.

[4]楊建東.核燃料廠房通風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障診斷分析[J].核動(dòng)力工程，2018，39（6）：178-181.

[5]廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2004，7.

[6]李百棟.滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)與應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2007（05）：43-45.