恼人的高频噪音---高压电机滚动轴承打滑问题分析

通过数据分析及试验，对我司磨煤机、一次风机高压电机轴承频繁出现润滑不良及高频异音的问题进行了探索，结论如下：

一、 存在的问题：

自2014年监测开始，发现各磨煤机、一次风机电机驱动端轴承加速度值绝对值高、波动频繁、听诊有高频啸叫，补脂后消失，补脂几小时或数天后即恢复至原始高水平：

    频谱中主要为4000~6000Hz宽带高频随机能量：

对Peakvue波形做自相关，无周期性成分存在：

以上信号均为轴承润滑不良（与缺油不等价）的典型表现。

大部分电机特别是低压电机在补脂或置换润滑脂后即恢复至正常值，如2C浆液循环泵：

换脂后连续2个多月的监测，加速度值均保持在3.5gs以下的优良水平：

抽取1B磨煤机和2B一次风机做润滑脂置换测试，置换后，加速度立即降至优良值，几小时后恢复原状: 

高频成分的来源：

从以上频谱中我们可以看到有两种典型频谱，磨煤机上的高频随机能量，以及一次风机的高频随机能量夹杂周期性成分。

1） 为了避免环境随机噪音干扰，采集数据时设置5次平均，故可排除噪声影响。

2） 该电机转子条通过频率为87倍频，可以排除，且在振动理论里，电机不会产生其他高频振动。

3） 轴承润滑不良时，运动面直接接触，会激起轴承部件共振，一般在1k-20Khz范围，随机噪声的形态符合经典轴承噪音理论。

4） 高频随机能量夹杂周期性成分，其间隔为NU232轴承的外圈故障频率，计算其为BPFO的高次谐波，来源于外圈故障的冲击激起了轴承某部件的固有频率，表明外圈有初期分布性损伤。

即这些电机存在两个问题：1、润滑不良。2、滚道初期缺陷。两者是一类问题，前者是后者的早期表现。

问题规律：

全部出现在高压电机、驱动端、脂润滑、NU型圆柱滚子轴承。

主要有：10台磨煤机电机、4台一次风机电机、1A浆液循环泵电机

（送风机、闭式水泵、其它浆液循环泵表现不明显，凝泵、循泵电机为立式不在讨论范围，引风机、给水泵为滑动轴承。）

二、 原因分析：

那么，这些问题是如何造成的呢？

1、 轴承最小载荷的概念：

通常的观念里，我们会认为，同样的设备，选用的轴承越大，寿命越长、可靠性越高。一般来说没错，但这只是对其疲劳寿命而言（轴承寿命按疲劳寿命计算）。然而轴承的失效形式不止疲劳这一种，当轴承负载小于其要求的最小载荷时，由于无法形成有效承载区，滚动体组件将不会按照理论转速运动，产生打滑：

严谨的电机厂在空载试运时，会刻意对

电机加载额外的径向力，避免轴承轻载擦伤

2、 轴承打滑的概念：

1）一般情况下，由于转子重力是主要径向力，轴承的承载区位于下方120°范围。

因轴承有游隙（工作游隙，有预紧的除外），滚子在承载区由于内圈的驱动，可以达到理论运动速度，此处滚动体推动保持架旋转；但当滚动体离开承载区进入非承载区，由于与内圈的摩擦力降低，其转速降低，此处滚动体由保持架推动前进；然后经过非承载区再进入承载区，滚动体载荷足够大时，转速快速增加到理论值，由于转速变化快，时常会发生打滑，滚子和内外圈滚道之间产生滑动摩擦造成损伤。这是第一种打滑类型：滚子打滑，注意与轴承载荷大小没有必然关系，是无预载滚动轴承的固有特性：

2）当滚动轴承不能满足最小载荷需求的时候，无法形成上图中的承载区，由于滚子缺少驱动力，无法产生纯滚动而是连滚带滑，无法推动保持架按理论转速转动，保持架与滚子、滚子与滚道之间将会产生摩擦。特别是在转速波动的时候。这是第二种打滑类型：滚动体组件打滑，是因轴承未达到最小载荷要求时产生的，其危害也更大。

打滑的后果是运动面拉伤、光洁度降低。严重的会造成保持架磨损、滚动体碎裂：

 

3、轴承润滑的概念：

正常情况下，滚动轴承的滚动体与内外圈滚道之间，有一层不大于1微米的润滑油膜隔离，这样的轴承运转轻快、振动及噪音极低。

当滚动体或滚道拉伤后，由于粗糙度提高，两个运动表面之间互相接触，从而产生高频振动和噪音。

4、电机轴承选用计算

以我司一次风机电机为例，驱动端NU232ECM，非驱动端6330M/C3。整机重量8.46吨，转子重量无记录，一般为整机重量的35%即2.96吨。轴承径向力包含质量不平衡力、重力、不平衡电磁力等，按舍弗勒公司估算程序，径向力一般按转子重量的1.5倍计。则径向载荷为：

Fr=0.35×8.46×1.5×9.8÷2=21.76kN

用SKF官网程序计算，该工作条件下其L10寿命可达64.7万小时，而根据设计惯例，24小时连续运转的重要电机轴承寿命要求是10万小时。因此该轴承选用是严重保守的。同样的工作环境，非驱端轴承选用的是6330M/C3轴承，其L10寿命只有227000。

根据SKF官网最小载荷计算程序，该轴承的最小载荷要求Frm=6.44kN，而计算出的径向载荷Fr=21.76kN，应完全满足要求。

但上述计算未考虑以下因素:

1）径向负载是估算出的可能最大负载（不考虑从动机），如果转子平衡良好、气隙均匀，那么径向力则主要是转子重力。

2）电机与风机通过联轴器联接后，高精度的找中，可能会将电机驱动端轴承的负载转移至风机驱动端轴承，使电机驱动端轴承负载降低甚至消失，这个因素在SKF轴承选用手册上有明确提及：

3）变频器驱动的电机，频繁的转速波动产生的加速度，增加了打滑的几率。

5、历史检修记录：

在过去几年的检修中，曾因加速度超标问题，对一次风机做过解体检查：

1A一次风机电机驱动端轴承（滚子打滑-2017）

2B一次风机电机驱动端轴承（滚子打滑-2017）

2A一次风机电机驱动端轴承（保持架与外圈摩擦严重卷边--2017）

2A一次风机电机驱动端轴承（滚道擦伤痕迹--2017）

解体检查情况与振动数据一致性较好。

结论：滚动轴承在无预负载或低于最小负载要求的条件下工作，滚子组件打滑，滚子与滚道、保持架摩擦，使运动面粗糙度提高、保持架兜孔磨损，从而金属与金属之间互相接触、由全油膜润滑变为边界润滑。由于轴承运动部件之间的碰擦，激起轴承部件的固有频率，因固有频率和支撑刚度相关，不同的接触位置，微观支撑刚度不同，故在2000-5000hz附近会产生一系列密集的峰值，呈现出润滑不良的特征。当运动面由于碰擦、磨损产生明显的损伤后，会在这些波峰中出现轴承外圈故障频率的多阶高次谐波成分。

 

三、 解决方案：

滚动轴承滚子打滑问题，并不仅仅出现在高压电机驱动端圆柱滚子轴承，只不过在其上表现比较突出，其它经常出现的场合是高速航空发动机、齿轮箱。因此，业界已有长时间深入的研究，主要采用的方法有：

1、选择合适的轴承：

要求电机厂重新核算，根据设备的工作条件，选用最小载荷需求更小且满足疲劳寿命要求的轴承，打滑主要出现在圆柱滚子轴承，是因其无法加预载。深沟球轴承可以方便的通过波纹片加预载避免这个问题，即使没有波纹片，由于磁力线轴向位置偏差，深沟球轴承也会承受一个轴向负载，整周都是承载区，故深沟球轴承极少出现打滑的问题。

2、换用空心滚子轴承：

空心滚子轴承是在轴承整周每120°布置一个空心滚子，空心滚子与内外圈之间无游隙有过盈，在轻载时，空心滚子的过盈量使轴承满足最小载荷要求；重载时，空心滚子 弹性变形，由实心滚子主要承受载荷。以下为舍弗勒对同型号实心滚子轴承（改进前）和空心滚子轴承（改进后）打滑性能的测试数据，可见在改进前，其最小载荷为26.4kN，改进后，其在远低于26.4kN的2.5kN的负载下仍然保持极低的打滑率：

3、换用有碳涂层的耐磨轴承，SKF、舍弗勒均有该类产品，是针对轴承打滑损伤的解决方案，它并不能避免打滑问题，因其滚子和滚道有高硬度、低摩擦系数的涂层，打滑时可减轻损伤，自然寿命会提高。

四、 结论及建议：

1、部分高压电机驱动端轴承异音及加速度超标，是因轴承滚动体组件打滑使运动面损伤所致，润滑并不能从根本上解决问题。

2、若要彻底解决，请在上述方案中选择。

3、从失效概率上看，14台电机运行9年只有1个轴承因打滑失效。其失效概率较低。处理的急迫性不高。

4、对上述电机，应加强日常点检。

骨哥

2017年9月17日

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在风电中也有个别风场的发电机轴承加速度有效值严重超标的情况，多台运行在三五十（VDI3834的报警限制是10和16 m/s2），频谱图如下，主要是3000hz左右的随机宽带能量，判断是轴承质量不过关或者轴承选型不合适导致的润滑不良，加润滑脂无法解决问题。

机组在这种情况下可以长期监视运行，考虑风电的维修难度，调整了这种特征机组的报警值，不过象下面这台还是会报严重故障，有效值达213 m/s2 。

文章来源：mirook聊振动