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滑动轴承失效分析

滑动轴承依靠轴颈旋转带入的油膜把轴托起,油膜一旦变薄、中断或失稳,轴瓦合金层就会擦伤、熔化或疲劳剥落,并连带拉伤轴颈。烧瓦现场往往很狼藉,但合金层的裂纹形态、流动方向、嵌入物和结合面状态仍能区分是疲劳、断油、脏油还是制造缺陷。本页说明滑动轴承常见失效、振动特征、检查要点与改进方向。

常见失效形式

巴氏合金疲劳与剥落

交变的动载荷使合金层表面出现网状或龟裂状裂纹,裂纹向下扩展到结合面附近后转向平行于结合面,合金块成片脱落。动载荷越大、合金层越厚、工作温度越高,越容易发生。

结合不良导致脱壳

合金层与钢背之间结合不牢,在载荷下整块脱开,露出的钢背较光滑,几乎没有残留合金,周边合金本身可能没有疲劳裂纹。

擦伤与烧瓦

油膜中断后轴颈直接接触合金层,摩擦发热使合金软化并沿旋转方向被抹开,形成流痕、堆积甚至熔化;严重时轴颈与轴瓦咬合,称为抱轴或烧瓦。

异物嵌入与划伤

油中的硬颗粒被软合金层嵌住,周围形成凹坑和拖尾;颗粒过大或过多时在轴瓦和轴颈上划出周向沟槽。

腐蚀

润滑油氧化变酸会腐蚀含铅合金;锡基合金在含水油中可生成硬而脆的深色氧化层,使间隙变小、表面变硬。

气蚀

油膜中气泡溃灭冲击合金层,形成蜂窝状凹坑,多见于油槽、油孔下游和动载荷变化剧烈的区域。

电蚀

轴电流穿过油膜放电,在合金层和轴颈上留下密集细小的熔化凹坑,表面呈磨砂状,常见于汽轮发电机组和大型电机。

瓦背微动

轴瓦在座孔中压紧不足,瓦背与座孔间微动,形成氧化磨痕,并可能使轴瓦转动或定位失效。

如何区分疲劳、脱壳、擦伤与腐蚀

滑动轴承的损伤常常相互转化:疲劳剥落产生的碎片进入油膜会造成划伤,划伤破坏油膜后又引起擦伤和过热,所以要找出最早发生的那一种。判断时先看损伤所在的周向位置是否在承载区,再看合金层的形态和结合面。

观察到的损伤更可能的原因区分要点与建议核查
承载区合金层网状裂纹,局部成块剥落动载荷引起的合金层疲劳裂纹从表面向下扩展,在结合面附近转为平行;核查不平衡、不对中、合金层厚度和瓦温
大片合金脱落,钢背光滑几乎无残留结合不良用超声或敲击检查剩余合金结合情况,截面观察结合层
合金沿旋转方向被抹开,有流痕和堆积油膜中断导致擦伤核查供油压力和流量、启动时是否供油、间隙是否过小、对中与载荷
合金熔化、轴颈变色或粘有合金严重断油或过载导致烧瓦检查油泵和油路、顶轴油、事故前后的油压与瓦温记录
合金表面嵌有颗粒,周围凹坑,轴颈周向划痕油液污染分析嵌入物成分以追溯来源,检查滤网、油箱和检修清洁度
承载区一端损伤重,另一端完好轴颈与轴瓦倾斜:不对中或轴挠曲检查对中、轴承座水平和轴的弯曲
油槽或油孔下游蜂窝状凹坑气蚀检查油槽形状与位置、供油压力和油中含气
合金表面变暗变硬,间隙减小锡基合金在含水油中氧化检查油中含水量和冷却器、密封是否泄漏
合金和轴颈上密集细小熔坑轴电流电蚀测量轴电压,检查接地碳刷和轴承绝缘
瓦背有氧化磨痕或轴瓦转动轴瓦压紧不足、座孔变形测量瓦背过盈或紧力、座孔圆度

油膜失稳:油膜涡动与油膜振荡

轻载、高速、间隙偏大或油黏度偏高的圆柱轴承中,油膜对轴颈的作用力会产生切向分量,推动轴颈在轴承内做涡动,称为油膜涡动。它在振动频谱中表现为频率略低于转频一半的分量,随转速升高而按比例升高。

如果转速继续升高,使涡动频率与转子的一阶固有频率重合,涡动频率会锁定在固有频率上不再随转速变化,振幅急剧增大,这就是油膜振荡。油膜振荡可在短时间内造成合金层擦伤、疲劳剥落,甚至损坏密封和叶片,转速回落时往往要降到更低才消失。

与之需要区分的还有转子与静止件的摩擦,它可能产生分数倍频和截头状的时域波形;以及不平衡、不对中引起的一倍、二倍频振动。对滑动轴承支承的转子,油膜会吸收一部分振动,机壳上的振动不一定能反映轴的真实运动,用电涡流位移传感器测量轴相对轴瓦的振动、轴心轨迹和轴心位置更为可靠。

  • 油膜涡动:频率略低于转频的一半,随转速升高而按比例升高,属于与转向相同的正向涡动,轴心轨迹不再保持稳定的单一形状。
  • 油膜振荡:频率锁定在转子一阶固有频率,不随转速变化,振幅大且突然。
  • 轴心位置随负荷或油温变化,可帮助判断轴颈在轴承中的偏心状态和对中变化。
  • 启机与停机过程的振动幅值与相位变化,可用来识别临界转速并判断失稳发生的转速范围。
  • 改善措施方向:提高比压或减小间隙,适当提高进油温度降低黏度,改用椭圆瓦、多油叶或可倾瓦等稳定性更好的轴承型式。

间隙、供油与轴颈状态

间隙

间隙过小时油流量不足、温升高,易擦伤;间隙过大时承载油膜偏薄且稳定性下降,冲击增大,易引起涡动和疲劳。检修时应记录顶部和侧部间隙,以及上次测量的数值。

供油

进油压力、温度、流量和油孔油槽位置都会影响油膜。油槽开在承载区会破坏承载油膜;启动前未建立油压或重型转子未投顶轴油,低速时最易擦伤。

油品

油中的水、颗粒和氧化产物分别对应腐蚀、划伤与合金层腐蚀。油品黏度用错同样会改变油膜厚度和稳定性。

轴颈

轴颈的圆度、粗糙度和硬度决定油膜能否均匀形成。轴颈拉伤、电蚀坑或锈蚀不处理就换新瓦,新瓦很快会重复损坏。

对中与载荷分布

联轴器不对中、轴承座标高变化和热膨胀会改变各轴承的载荷分配,使某一个轴承过载而相邻轴承轻载失稳。

制造质量

合金成分偏差、比重偏析、气孔夹渣、结合层不连续和合金层厚度不均,都会降低疲劳强度或导致脱壳。

现场检查与实验室检验

  1. 停机前收集运行数据导出瓦温、回油温度、油压、轴振动和轴心位置趋势,记录启机、升负荷和事故发生时的数据,必要时补测频谱与轴心轨迹。
  2. 拆瓦检查先拍照记录损伤在周向和轴向的位置,标明承载区与旋转方向;测量间隙、瓦背紧力和轴瓦与座孔接触状态。
  3. 检查轴颈与油系统测量轴颈圆度、圆柱度和表面损伤,检查滤网、油箱底部沉积物、冷却器和顶轴油系统,取油样。
  4. 合金层与结合面检验用超声检查剩余合金的结合状况,截面金相观察合金组织、偏析、气孔和结合层,测量合金层厚度与硬度。
  5. 成分与嵌入物分析检测合金化学成分,用扫描电镜和能谱分析嵌入颗粒、腐蚀产物和电蚀坑,追溯颗粒来源。
  6. 油液分析测定油的黏度、水分、酸值、颗粒污染度和金属元素,判断油品是否劣化或混入其他介质。

送样资料与改进方向

  • 送样:损坏的上下半轴瓦,已脱落的合金碎片,油箱和滤网中的沉积物,失效时的油样;如有条件,提供同批次未用的备品轴瓦作对比。
  • 资料:轴瓦图纸与合金材料要求、设计间隙与实测间隙、油系统参数与报警记录、启停机规程和顶轴油投用记录、轴振动与瓦温趋势、对中记录、最近一次检修内容和轴颈修复记录。
  • 疲劳剥落:查找并消除动载荷来源,如不平衡、不对中和失稳;在允许范围内减薄合金层或选用疲劳强度更高的轴承合金,控制瓦温。
  • 脱壳:改进钢背清洁与挂锡工艺,采用离心浇铸,新瓦入厂时做超声结合检查。
  • 擦伤与烧瓦:保证启动前油压建立,重型转子按规程投用顶轴油,校核间隙与对中,设置可靠的油压和瓦温联锁。
  • 划伤与腐蚀:加强过滤和油箱清洁,检修后冲洗油系统,控制油中水分,按油液分析结果换油。
  • 油膜失稳:调整间隙、比压和油温,必要时改用稳定性更好的轴承型式,并通过启停机振动测试验证。
  • 电蚀:检查并维护轴接地装置,必要时增加轴承绝缘,定期测量轴电压。

北京与杭州的分工

北京团队负责现场调查、振动相关测试和综合分析;需要实验室仪器分析的部分,可由集团杭州实验室承接。具体由哪个实验室完成哪些项目、报告是否带 CMA、CNAS 标志,在方案和报价中写明。

常见问题

瓦温突然升高,一定是轴瓦坏了吗?

不一定。测温元件故障、进油温度升高、油量减少或载荷重新分配都会使瓦温升高。应同时看回油温度、油压和轴振动是否变化,若瓦温与振动同时异常,应尽快安排检查。

轴瓦剥落了,是合金质量问题还是运行问题?

需要看剥落形态。合金层有网状疲劳裂纹多与动载荷和温度有关;整片脱落且钢背光滑,多与结合不良有关。截面金相和超声检查可以把两者区分开。

换了新瓦又很快拉伤,可能是什么原因?

常见原因是轴颈损伤没有修复、油系统没有彻底冲洗导致残留颗粒、间隙或对中没有调整到位。建议在换瓦前检查轴颈和油质,并分析旧瓦上的嵌入物来源。

怎么判断振动大是油膜振荡还是不平衡?

不平衡以一倍转频为主,幅值随转速平稳变化;油膜涡动的频率略低于转频一半,油膜振荡则锁定在转子固有频率且振幅突然增大。用位移传感器采集频谱和轴心轨迹即可区分。

滑动轴承也会有电蚀吗?

会。汽轮机、发电机和大型电机的轴上可能积累静电或产生感应电压,通过油膜放电,在轴瓦和轴颈上留下细密的熔坑。检查接地碳刷是否失效、测量轴电压可帮助确认。

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