新的轴承系统保持循环水泵运行在 核电站。BETVICTOR体育官网
在正常运行了8年之后，一次轴承故障迫使一家核电站停运。在接下来的三个月里，又发生了两次轴承故障，工厂展开了分析。
该厂组建了一个故障分析小组，包括工厂工程师，叶轮机械顾问，维修车间和轴承制造商。经过包括计算建模和转子动力学分析在内的彻底调查，研究小组发现，温度波动在轴承中产生间隙问题，导致轴承失效。为此，该团队设计了一种新的型材轴承，该轴承更能承受与温度相关的间隙变化，并为系统提供了出色的支持。
泵的配置
电站的发电站有8个垂直泵，用来循环冷凝器水。BETVICTOR体育官网每个泵上方有一个28极、2500马力的同步电机，转速为271转/分。每个发电机组包括四个泵。BETVICTOR体育官网该机组可以在三台泵的情况下满负荷运行，但当两台泵停止使用时，容量下降了10%。BETVICTOR体育官网
在每种故障场景中，位于推力端对面的较低的电机导颈轴承在环境温度突然下降后失效。这个轴承直径16英寸，长3.4英寸。每个轴承都有一个圆孔，由六个轴向槽分割，在每一端连接两个周向槽。轴承被设计成具有紧密的间隙运行，以最大限度地减少振动。下轴承轴颈呈伞状，并连接到电机的轴上，下半部分浸在油浴槽中。轴承轴颈下半部分的两个直径相反的孔与轴承的底部周向槽对齐，作为供油的泵管。
计算流体动力学分析
利用计算流体动力学(CFD)软件，分析团队建立了油底壳和轴承衬套通道的数值模型。分析分析了几种可能影响正常供油的条件，包括泵孔与分配槽(底部周向槽)的对齐、油底壳的油位、油粘度和温度。
一个计算模型——水池、旋转伞形组件和泵管入口的自由表面模型——帮助阐明了这个问题。该团队开发了该模型，以确定抽油管进口条件的质量，并评估油底壳油高度和油底壳油温对油流量的影响。
自由面模型表明，泵管必须与下周向轴承槽对齐才能使泵的作用有效。不对中可能会使流经管道的油量减少10%至15%，这可能会使轴承的上半部分油挨饿，特别是如果粘度很高的话。研究小组还发现，油底壳水位的变化并不是导致故障的原因。然而，该模型表明，温度对油粘度的影响可能会影响系统。虽然油底壳的温度在运行过程中从未低于50华氏度，但如果设备操作人员在低于冰点的温度下闲置后启动电机，则不会有足够的润滑。
然后，研究小组制作了一个储油池的三维流动模型，以检查其流速，并寻找含有空气或缺乏石油的区域。该模型包括抽水管、承压区和排水管，但不包括水池自由面模型，使数值解具有实用性。该模型表明，夹带的空气只占油底壳体积的不到3%，轴承轴颈的旋转导致油在槽内的速度加快，并且油底壳在轴向槽内流动良好并排出排水沟。
轴承的配置
滑动轴承分析
当研究小组进行转子动力学分析时，轴承故障的原因仍不清楚。结果显示，位于油底壳上方的每个轴承的上半部分似乎都有摩擦，这就是研究小组仔细检查润滑方法的原因。轴承的间隙约为半mil每英寸轴，一个紧密的间隙仅用于垂直方向。在这个方向上，轴承必须为转子产生足够的支撑，以承受不平衡力和瞬态负载。
轴承采用了简单的圆形设计，为系统提供了足够的直接阻尼。研究小组发现，间隙越紧，油膜产生的直接阻尼就越大。紧密的间隙也产生了一些直接刚度，以帮助支撑系统。然而，由于间隙非常紧，任何由温度变化引起的间隙减小都可能导致轴承摩擦并最终失效。
异形轴承分析
在创建新的轴承设计时，团队的目标是增加轴承的间隙，并提供良好的横向转子支撑。该团队考虑了偏置锥度垫的布置，可以提供高水平的支撑。这些电机在每次启动时必须从- 250转转到+ 275转转，因此它们需要对称的轴承轮廓设计。
该团队提出了一种带有预装垫的新型异形轴承设计。异形轴承具有与转子轴颈的几何中心不同心的曲率半径的垫。该设计从轴承表面的会聚和发散油膜中产生预紧力，以提供积极的流体动力加载。当油被迫进入收敛段时，它会产生压力积聚，从而提供必要的刚度和阻尼。当薄膜向后缘发散时，压力的降低将热油抽出，使新鲜的冷油可以进入并降低轴承温度。拟议的轴承的直径中心间隙范围为10至16密耳，而直径边缘间隙比这大3至4密耳。
与旧设计相比，新轴承的直接刚度提高了158倍，并在138转/分以上的速度下产生更多的直接阻尼，有助于更有效地控制转子运动。滑动轴承的阻尼在低速时更大，这是一个问题，因为每次启动时电机从- 250转/分上升到+ 257转/分。为了解决这一问题，研究团队记录了泵的启动过程，并使用了一种特殊的高速采样程序来跟踪轴在转换过程中的中心线位置。试验结果表明，新型轴承能有效地控制转捩。
该团队还进行了不平衡响应分析，无论轴承的设计如何，都没有发现共振。分析表明，在运行速度下，新设计使转子的振幅降低了24%。
有限元分析
尽管轴承设计消除了工厂的故障问题，但该团队的润滑分析并没有完全解释故障的根本原因。为什么轴承只在上半部分失效仍然是个谜。
许多团队成员怀疑环境温度的下降导致电机框架收缩并挤压轴承。
由于轴承的顶部附着在电机框架上，框架只会在收缩时捏住顶部。利用一个电机的热数据，研究小组发现环境温度会影响轴承的温度。具体来说，环境温度每变化4 F，轴承的温度变化3 F -与其他由环境空气冷却的电动机轴承的变化一致。
然而，一旦环境温度达到30华氏度，轴承的温度就会随着环境温度的继续下降而上升。在某一点上，当环境温度保持不变时，轴承的温度将继续上升。一旦环境温度达到27度，轴承就失效了。数据表明，轴承中的某些机制在较低的环境温度下产生了更多的热量。
虽然热分析很复杂，但研究团队通常发现，随着环境温度的降低，轴承需要更高的热流，从而导致轴承的温度上升。
热变形导致轴承顶部向内倾斜。随着环境温度继续下降，间隙也继续减小，直到轴承失效。
在研究小组完成分析后，该工厂将所有8台泵的滑动轴承更换为新的异形轴承。BETVICTOR体育官网尽管许多工厂暴露在低环境温度下，但所有的泵都继续平稳运行。BETVICTOR体育官网
计算油的速度
BETVICTOR体育官网泵和系统2012年5月