正确识别转动设备轴承金属温度异常及轴承故障

潘 炜

（ 华电哈尔滨热电有限责任公司，哈尔滨 150046）

1 正确进行设备故障诊断的首要条件

转动设备在运行中要通过一些的监视测点来观察其正常与否，轴承温度是一个重要的监测参数。正确判别轴承金属温度异常的真伪，是进行正确的故障诊断，进而正确进行处理的首要条件。

测量仪表是进行设备运行监视的眼睛，是进行故障分析的依据。但测量仪表也是设备，也存在发生故障的可能。如何正确通过测量参数的异常变化，来判别是机务设备本身的故障，还是测量设备的故障，这是正确处理异常问题的首要条件。错误的判别将导致错误的处理结果，导致不该发生的事故或差错。不论是依靠自动调节或保护系统来实现，还是采用人工干预的方法都是如此。

那么，如何判别是测量仪表故障还是机械设备故障呢?这就要从其本质的规律去研究。测量仪表属于电工电子学科范畴，机械设备属于工程物理学范畴，二类设备的正常工作和异常状态特性必定符合各自学科的客观规律［3－4］。

2 某机组非计划停运概况

2007年 1月 11日，机组因 4号瓦温度4TE3220－DEH跳变到167℃，4号瓦温度保护动作，汽机跳闸、锅炉MFT，发电机解列，中断了机组380 d的长周期运行的纪录。事后经检查，事发只因为该测温元件的测量回路，可能因长期运行线路绝缘受损，导致测量信号跳变。由一起小小的仪表测量系统故障，导致了机组非计划停运的发生，实在令人扼腕叹息。

3 温度测量方面可能出现的故障及其特征

3.1 温度测量概况

温度测量分为就地测量和远传测量二种，就地测量多采用膨胀式温度计，包括液体玻璃温度计、固体温度计和压力式温度计。远传测量包括热电偶温度计、热电阻温度计、辐射式温度计、数字式温度计等。其中热电偶温度计和热电阻温度计在远传测量中被广泛采用，一般来说300℃以上的大都采用热电偶温度计，300℃以下的大都采用热电阻温度计，4号机组4号瓦温度采用的就是热电阻温度计。

3.2 热电阻法温度测量可能存在的故障或隐患

3.2.1 测温元件制做

热电阻法测是利用一些材料的电阻随温度变化的特性，借电阻测量感温元件电阻的测量，来确定被测温度。热电阻测温元件采用的线径极细的高强度漆包铜丝(或铂丝)在拉制过程中，可能会拉力不均产生先天缺陷。在涂绝缘材料过程中可能会出现漏涂或涂层不均的情况。热电阻测温元件为消除电感效应，一般采用双线并绕，在绕制过程中，也会产生新的伤痕、应力或绝缘损坏。在消除拉制和绕制应力以及老化筛选后，可能还会有剩余应力。在绕制后与传导引线的焊接，因焊点极小，焊接质量也会出现问题。尽管现在测温元件已用自动化生产，出现缺陷的可能性已大幅度降低，但随着测温元件小型化进程，测温元件本身的问题彻底消除是很难做到的。

3.2.2 测温元件安装

以汽轮机轴承金属温度测量为例，要实现远程测量，要将埋在轴瓦中的测点位置，引到集控室，有许多环节会影响正常的测量。首先是在轴承箱内引线的走向，既要沿比较隐蔽的位置布线，防止检修误碰和油流冲刷，又要考虑测温元件安装就位后，机务检修的方便，防止在轴瓦就位过程中不被压伤压断传输导线。在轴瓦和瓦枕跨越时要留一定长度的导线，保证其自由度，防止运行中因轴瓦微小移动(轴瓦自位转动或随转子膨胀移动)而拉断。引线用线卡固定或穿保护套管时，要注意不要损伤导线。在穿出轴承箱时，采用的航空插头插座的接触电阻及两导线焊接质量也是影响热电阻测量的关键因素之一。在长期运行中，测温元件及传输导线在长期的油液、油烟的浸泡下，绝缘材料会老化，测温元件与传输导线的焊接点、传输导线与航空插头插座的焊接点，也可能出现接触电阻增加或接触不良的情况。测温元件及传输导线因磨损出现故障的现象也是难免的。另外，为避免现场干扰而采用的屏蔽导线，在安装和运行过程中也会出现屏蔽层破损、测温元件或传输导线与屏蔽层绝缘损坏，导致接地或抗干扰性下降的情况。

3.2.3 传输导线的安装

从轴承箱引出后一般要经过就地端子箱、集控室控制柜二次端子排和测量仪表表后端子接线排(或插座)等三处以上的接线，这些地方的端子接触电阻，亦包含在反映温度的总回路电阻中，如有一处接触不良，所反映的温度则是偏高的。另外热电阻测量回路的传输导线属于弱电电缆，容易受到强磁场干扰。如电缆排列全程不能有效做到强弱电缆分井排放，很容易受到干扰。

3.2.4 测量回路

热电阻法温度测量一般采用电桥法将热电阻变化信号，转换成不平衡电压信号，然后采用适当方式进行温度显示。因轴瓦到集控室的传输导线比较长，传输导线受环境温度变化的影响，其线路电阻的阻值会随之改变，影响被测对象的正常测量。为克服这一缺点，在采用电桥法测量时，一般采用三线制接线，从测温元件引出点处就实行三线制，把两根传输导线的电阻分别放在电桥的两个桥臂上，使两根传输导线的线路电阻受环境温度的影响相互完全抵消，当两侧线路电阻不一致时，还将线路电阻配足到规定的阻值。在实际接线时，部分测点不是采用完全的三线制，如从航空插头或就地端子箱之后再采用三线制，这样在此点之前的线路电阻将被接到电桥的同一桥臂，此线路电阻随环境温度的变化对测量精度会造成影响。另外，人工配制的线路电阻的精度、质量也是影响测量的一个因素。

3.2.5 温度测量二次仪表及信号转换

随着热工测量技术的飞速发展，温度测量二次仪表及信号转换技术更新换代非常之快，但不论如何发展，将测量元件的热电阻值信号，转换成模拟量或数字量信号，直到反映出真实的被测温度，总存在着产生测量误差的隐患，存在包括二次仪表装置本身故障在内的故障隐患。

综上所述，在根据测量仪表(装置或信号)反映的温度，进行设备监视、调整、保护的过程中，应充分认识到测量系统存在的可靠性问题，可能会对需要的动作造成的误导。

3.3 热电阻法温度测量故障的故障特征

测量设备在上述环节可能出现的故障，有着其与机务设备故障不同的特殊规律性，一般可以根据故障特征的规律进行判断。对于热电阻测量法，应具有电工电子学科所具有的以下特点。

3.3.1 断路故障

这是最常见的故障之一，当断路发生后，测量回路电阻值达到最大，反映的温度值将达到二次仪表量程的最大值。变化速率往往是瞬间发生。有些具有断阻保护的测量系统中，输出值为零，或有断阻报警功能。

3.3.2 短路故障

这也是最常见的故障之一，当短路发生后，测量回路电阻值视短路发生点的位置而定，如测量元件外部短路，反映的温度的电阻值将为零，线路电阻分别在电桥二臂，电桥失去平衡，输出为反向不平衡电压，温度显示为二次仪表量程的最小值。当测量元件内部匝间短路时，视短路的情况而定，电阻值的减小也是瞬间突变的。有些具有短路保护的测量系统中也有报警功能。

3.3.3 接地故障

此类故障发生在测量回路某点与测量对象或屏蔽层绝缘到零，出现接地现象，其现象要视接地发生点而论，电桥的输出或突然增大，或突然反向输出不平衡电压，温度显示为二次仪表量程的最大或最小值。

3.3.4 缓变现象

此类故障发生不多，一般发生在不完全的三线制的测量回路中，他会受环境温度的缓慢变化影响，变化速度极慢，变化规律随季节变化而变。一般情况较难发现。对测量的影响较小。另外，因测温元件温阻特性改变，可能使测量误差出现漂移，但出现这种情况的概率和产生的误差都是极小的。

3.3.5 扰动故障

扰动故障一般有两种，一种是因测量系统接触不良引起的，它又有断路接触不良和短路接触不良两种。另一种是受强电干扰引起的。

当测量系统接触不良时，要视接触点松动的情况而定。呈现跳升或突降现象，变化幅度要视接触不良情况而变，接触不良发生时，接触点松动情况一般是不可逆的，只会越来越松，所以变化幅度越来越大，频率越来越高，最终断路或短路。

测量系统受强电干扰时，测量信号的变化幅度要视干扰强度而定，一般能够测量到高次谐波。

另外，热电偶温度测量系统的各种故障特征也具有与轴承故障明显不同，与热电阻温度测量系统相似的故障特征，这里不在展开讨论。

4 轴承故障的特征

目前使用比较广泛的轴承有滑动轴承和滚动轴承二种形式，前者需要配置供油系统进行强迫冷却，后者只需定期更换油脂以改善润滑。二者虽然结构有所不同，但出现温度异常时表现出的故障特征有相似之处，与温度测量的故障特征是明显不同的。

4.1 巴氏合金材料的物理特性和滑动式轴承故障特征

4.1.1 巴氏合金材料的物理特性

巴氏合金(简称乌金)具有优良的减摩性、可嵌入性以及跑合性，摩擦系数有油时为0.005，无油时为0.28。是良好的润滑材料被广泛应用于工程机械的轴承上。但其承载能力以及耐热、耐疲劳性能较差，平均硬度仅为Hm30。它是一种类似于蜡烛的软质低熔点的材料，不象水的熔点为0℃(实际它的固相转换点和液相转换点温度均为0℃)，巴氏合金的固相点温度为240℃ ，液相点温度为370℃，浇铸轴瓦时的温度一般控制在450～480℃。其硬度和疲劳强度随温度的升高而降低，在150℃时大约只是常温时的1/3。因此各制造厂对不同的轴承所要求控制的正常工作温度和报警温度，是有一定差别的，正常工作温度允许范围较广，一般在70～110℃之间，报警和跳机值的要求也有所不同，如东汽机组#1－#6瓦为115℃跳机，#7#8瓦为105℃跳机 ，上汽机组规定报警Ⅰ值为99℃，Ⅱ值为112℃。

4.1.2 乌金轴瓦的几种典型故障形式

(1)烧瓦

烧瓦又称刮擦、胶合、烧熔，其所表现的故障严重程度有所不同。这是一种较常见的故障现象。在故障发生初期轴瓦温度升高并不会导致乌金熔化。但是由于轴瓦温度升高不能及时冷却，造成乌金硬度下降，当抬轴高度不够或油膜不稳定时，轴颈和乌金将会发生轻微磨擦，此时已软化的乌金很容易被高速旋转轴颈挤压，粘连在轴上(即胶合现象)，粘连的这部分乌金又带起了更多的巴氏合金，进一步破坏了不稳定的油膜，增加了磨擦力，使发热量增加和积累，导致温度进一步上升。如不能及时有效处理，瓦温会迅速上升，最终出现乌金真正的熔化。所以我们看到的轴承故障并不是真正的烧瓦，而应是刮擦或胶合，只有轴承温度超过240℃才是真正的烧瓦。

(2)龟裂

乌金轴瓦在使用一段时间后，瓦面上会出现纵横交错的裂纹，乌金裂成了好多碎块，但它们仍然嵌在瓦胎上。乌金轴瓦出现龟裂的实质是材料出现疲劳裂纹。

(3)掉块

龟裂的进一步发展就形成掉块，轴瓦上的乌金层成片地从瓦胎上剥落下来。乌金轴瓦产生掉块的主要原因与龟裂相同，此外，轴瓦的乌金层过厚和乌金与瓦胎结合不牢也是产生掉块的重要原因。乌金层过厚，当轴瓦在载荷作用下发生变形时，由于乌金与瓦胎结合层处的剪切力较大;容易造成脱离。

(4)外力机械损坏

轴瓦在安装、储运、检修过程中，由于堆放位置不合理或操作失误，往往会造成对轴瓦乌金的损坏，如机械外力造成掉块、瓦面凹坑等缺陷。

4.1.3 滑动轴承金属温度变化的规律

滑动轴承的金属温度及其变化要符合工程物理学的转子动力学、流体力学、传热学和能量守恒的基本规律。该轴承的发热量在轴承结构一定的情况下，与轴的转速、轴颈直径和承载宽度、承载力、摩擦系数等因素有关。轴承的散热量包括自然散热和强迫散热两部分，其中强迫散热起到关键作用。强迫散热量在轴承结构、进油方式和油的热比容一定的情况下，与油的温度、流量有关。当发热量与散热量相等时，轴承温度维持稳定。当发热量高于散热量时，在其他条件不变的情况下，温度将是多余热量对时间的积分函数，温升曲线将是一条积分曲线。在发生乌金胶合的情况下，磨擦系数、发热情况、润滑和冷却情况都随时间而恶化，轴承的温升曲线可能会是一条不可逆的发散的曲线。只有当改变转速、油温、油量等可控的手段，温度才会回落。但轴承乌金胶合受损的状况是不可逆的，是逐步积累逐渐恶化的。在故障的后期往往还会出现振动异常的情况。

根据以上关系，获得相关有关参数后，轴承的温升曲线应该是模拟的。另外，如根据至今为止国内外各种汽轮发电机组轴承故障发生的历史数据、资料，对各种类型轴承的故障进行分类统计，从实际轴承的温升曲线的归纳分析中，也是应该能够统计分析出轴承发生烧瓦故障时，温升的速率。找出故障时轴承金属温度变化的规律。这是今后需要研究的重要课题。

4.2 滚动轴承温度变化的规律

滚动轴承的故障种类较多，其温度及其变化要符合转子动力学、传热学和能量守恒的基本规律。轴承的发热量在轴承结构一定的情况下，与轴的转速、承载力、润滑情况等因素有关。散热为自然散热。温度的变化与发热量与散热量的平衡有关，其变化规律与滑动轴承有相似之处，同时在故障早期就会出现较强的振动。

4.3 轴承故障的其他特征

当出现轴承故障时，往往会伴有其他参数的变化。比如回油温度、振动、电流等等参数，会随这轴承故障的发生同时出现。

5 机务设备故障特征和测量设备故障特征的区别

机械设备的工作和参数测量的实现分属不同的学科，其故障特征有着不同学科的特殊规律，有着明显的区别。轴承发生故障时的金属温度变化的规律，是与温度测量系统发生故障是完全不同的规律。二者的区别是:

5.1 相对变化幅度不同

轴承故障的相对变化幅度小。测量系统故障的相对变化幅度很大，当测量系统断路、短路或接触不良时，信号会大幅度跳变。

5.2 变化周期(频率)不同

轴承故障一般不会出现周期性变化，如不进行人工干预，一般是不可逆的。如进行人工干预，它会回落到正常的工作温度，不会呈周期性变化。

测量系统故障虽然没有明显有规律的周期性变化，但其变化频率极高(当测量系统接触不良和外界干扰时，信号会出现高频)，变化周期可能呈不稳定变化(当测量系统接触不良时，可能是不稳定的脉冲式大幅度跳变)，也可能呈周期性变化(当外界干扰时，信号会出现与干扰源同周期的变化)。

5.3 变化速率不同

轴承故障的相对变化速率慢。其变化速率从理论上应该是可以对不同故障情况进行计算或模拟。也可以根据各种汽轮发电机组轴承故障发生的历史数据、资料，对各种类型轴承的故障进行分类统计归纳，一般来说，其故障状态下温升的数量级，可能是以℃/分钟来衡量。

测量系统故障变化速率快，与前者相比相差的根本不是一二个数量级偏差的问题，可能是以℃/毫秒(或微秒)来衡量，甚至是光电速度。

这一特征，如果轴承金属温度保护需要保留时，可以做为设定延时时间的参考。

5.4 相关参数变化

当出现轴承故障时，往往会伴有其他参数的变化。比如回油温度、振动、电流等等参数，会随这轴承故障的发生同时出现。

当测量系统发生故障时，几乎不可能会伴有其他故障同时出现。

5.5 规律性不同

根据国内外各种汽轮发电机组轴承故障发生的历史数据、资料，以及本公司历史上所发生的几起轴承故障的经验，从温度变化的趋势上可以明显看出，轴承发生故障和测量系统发生故障，其温度的变化规律是完全不同的。

6 结论

测量仪表故障和机械设备故障的故障特征，应分别符合电工电子学科和工程物理学的客观规律和特征。根据不同学科的特点进行设备状态监测和故障分析诊断，是一种科学的分析方法，可在其他设备状态监测和故障诊断中广泛采用。

轴承出现温度异常故障，不可能出现象测量系统故障那样的大幅度阶跃跳变，或是脉冲式不稳定跳变，变化速率明显低于测量系统故障那样大幅度阶跃跳变的速率，且伴有测量系统故障所不可能具备的相关参数变化。根据以上不同的故障特征，可以做为判别温度异常的真伪的方法，来指导决策如何处理温度异常事件。

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