張 豐

(錦州石化公司設(shè)備研究所，遼寧 錦州 121001)

在狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中，高頻包絡(luò)(HFE)是一種非常有價(jià)值的分析工具，故障診斷分析人員可以運(yùn)用這種技術(shù)發(fā)現(xiàn)大量潛在的故障現(xiàn)象，如果僅用振動(dòng)頻譜和時(shí)域波形分析可能會(huì)忽略這些故障，尤其是在故障的早期階段。因此，高頻包絡(luò)譜分析技術(shù)越來越受到重視。很多振動(dòng)分析儀廠商都提供這種技術(shù)，雖然各自的名稱不同，例如羅克韋爾(Rockwell)稱其為振動(dòng)尖峰能量(gSE),而斯凱孚(SKF)則稱之為加速度包絡(luò)(gE)，但其理論基礎(chǔ)都是高頻包絡(luò)技術(shù)。

一、技術(shù)原理

高頻包絡(luò)(High Frequency Enveloping)主要用來分析與沖擊或脈沖有關(guān)的故障，因此需要通過濾波器來濾掉這些較低頻率的信號(hào)，再進(jìn)行信號(hào)的FFT分析，以常見的幅值與頻率的FFT格式顯示結(jié)果。簡單的說，就是通過濾波保留脈沖、沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，這種處理已消除了與正常的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)有關(guān)的頻率。沖擊引起的信號(hào)由加速度傳感器測量，并且由獨(dú)特的過濾和檢波電路加以處理。

以羅克韋爾的振動(dòng)尖峰能量(gSE)為例，振動(dòng)信號(hào)由一加速度傳感器測量，由一頻帶濾波器進(jìn)行過濾。有6個(gè)可選擇的高通頻率(低頻界限)，100Hz、200Hz、500Hz、1 kHz、2kHz和5kHz。低通頻率(高頻界限)為65kHz，這是振動(dòng)尖峰能量頻率范圍的上限。將篩選的信號(hào)通過1個(gè)峰峰值檢波器，該檢波器不僅保持信號(hào)的峰峰值而且選用預(yù)定的采用時(shí)間間隔，這直接確定了沖擊能量譜的最大頻率(Fmax)。峰峰值檢波器的輸出信號(hào)是鋸齒形信號(hào)波形。對這一鋸齒形信號(hào)做近一步處理，可得到?jīng)_擊能量的通頻幅值和振動(dòng)尖峰能量譜。由此可見，振動(dòng)尖峰能量技術(shù)是包絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，它的作用原理和無線電廣播中從載頻信號(hào)中提出音頻信號(hào)很相似，它是從正常振動(dòng)信號(hào)中提取出軸承發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)信號(hào)。這一沖擊信號(hào)就是辨認(rèn)滾動(dòng)軸承故障的關(guān)鍵信息，其中包含著滾動(dòng)軸承的四個(gè)故障特征頻率成分，據(jù)此就可以判斷滾動(dòng)軸承是否存在故障及損壞部位。

二、滾動(dòng)軸承四種故障頻率

1.滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算方法

當(dāng)軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn)時(shí)，其計(jì)算公式見式(1)～式(4)。

式中：N——軸的轉(zhuǎn)速；

d——滾動(dòng)體直徑；

D——滾動(dòng)體中心圓直徑；

φ——接觸角；

n——滾動(dòng)體數(shù)目；

r/min——機(jī)組轉(zhuǎn)速頻率。

2.滾動(dòng)軸承故障頻率之間的關(guān)系

(1)軸承內(nèi)外環(huán)故障頻率的和等于“軸承滾動(dòng)體通過頻率”，即BPFO+BPFI=n·N。

(2)外環(huán)故障頻率等于“軸承滾動(dòng)體對保持架的通過頻率”，即BPFO=n·FTF。

3.高頻包絡(luò)(HFE)故障診斷經(jīng)驗(yàn)

(1)高頻包絡(luò)譜對使用的振動(dòng)加速度傳感器非常敏感，必須使用相同的傳感器并采用同一種固定方式，否則測量結(jié)果變化很大。

(2)高頻包絡(luò)譜的變化趨勢對診斷故障非常重要，并且低階故障頻率的趨勢比同一頻率的高次諧波頻率變化趨勢更加精確。

(3)潤滑不良、金屬間接觸或軸承承受不當(dāng)?shù)呢?fù)載，也會(huì)出現(xiàn)軸承的故障頻率。

(4)軸承故障在故障發(fā)展到滾動(dòng)體和保持架之前，先在軸承的外環(huán)或內(nèi)環(huán)上發(fā)生，因此，通常首先出現(xiàn)軸承外環(huán)和內(nèi)環(huán)故障頻率。此后，保持架故障頻率不是以基頻出現(xiàn)，而是以邊帶形式或邊帶差頻形式出現(xiàn)在軸承外環(huán)或內(nèi)環(huán)故障頻率兩側(cè)。

(5)當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重的軸承故障時(shí)，軸承外環(huán)或內(nèi)環(huán)故障頻率兩側(cè)會(huì)被1×轉(zhuǎn)速頻率邊帶族環(huán)繞。當(dāng)出現(xiàn)軸承故障頻率的諧波頻率且其兩側(cè)伴有1×轉(zhuǎn)速頻率邊帶，則指示更為嚴(yán)重的損壞，應(yīng)盡快更換該軸承。

三、診斷滾動(dòng)軸承故障的案例

1.機(jī)組概況

某廠重整車間貧溶劑泵為2級(jí)離心泵，型號(hào)為GHY100-100×2，輸送介質(zhì)環(huán)丁砜，入口壓力0.1MPa，出口壓力1.5MPa，流量100m3/h，功率為80kW，轉(zhuǎn)速2970r/min，泵內(nèi)側(cè)靠聯(lián)軸節(jié)處軸承型號(hào)為6213，外側(cè)軸承型號(hào)為7313×2（背靠背安裝），圖1為機(jī)組測點(diǎn)布置示意圖，監(jiān)測儀器為Entek DP1500。頻譜圖如圖2和圖3所示。從表1的振動(dòng)烈度分析，泵運(yùn)行正常。分析振動(dòng)頻譜圖，可發(fā)現(xiàn)有2、3和6倍的諧頻存在，但幅值不大，無特殊故障頻率出現(xiàn)。但振動(dòng)尖峰能量及其頻譜圖(表2、圖2至圖5)可看到：

圖1 貧溶劑泵測點(diǎn)布置示意圖

(1)兩個(gè)位置的振動(dòng)尖峰能量頻譜都出現(xiàn)了軸承外圈故障頻譜的峰值，且聯(lián)軸節(jié)側(cè)的頻譜圖中還包含外圈故障頻譜的半頻及其諧頻。

(2)從振動(dòng)尖峰能量幅值上看，聯(lián)軸節(jié)側(cè)的峰值能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外側(cè)(4倍左右)。

(3)對比2日和8日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，振動(dòng)尖峰能量幅值呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。

綜上所述：泵兩側(cè)軸承均有外圈磨損的早期征兆，聯(lián)軸節(jié)側(cè)較為嚴(yán)重，為此建議車間對泵聯(lián)軸節(jié)側(cè)的軸承進(jìn)行更換，外側(cè)軸承可根據(jù)實(shí)際情況酌情處理。

四、檢修情況反饋

表1 貧溶劑泵振動(dòng)烈度

表2 貧溶劑泵振動(dòng)尖峰能量

圖2 泵外側(cè)水平方向頻譜圖

圖3 泵聯(lián)軸節(jié)側(cè)水平方向頻譜圖

圖4 振動(dòng)尖峰能量頻譜圖

圖5 泵聯(lián)軸節(jié)側(cè)振動(dòng)尖峰能量頻譜圖

2.振動(dòng)分析及故障診斷

2010年2月2日，監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)貧溶劑泵振動(dòng)異常，2月8日再次對該泵進(jìn)行監(jiān)測，異常更加明顯，振動(dòng)烈度見表1，

2月10日車間對泵進(jìn)行檢修，更換了聯(lián)軸節(jié)側(cè)軸承，外側(cè)沒有更換。2月11日，檢修后的泵開機(jī)，從檢修前后的振動(dòng)尖峰能量及頻譜圖的對比看，診斷結(jié)果正確。

五、結(jié)語

在對滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷時(shí)，在觀察振動(dòng)烈度的同時(shí)要關(guān)注其峰值能量的發(fā)展趨勢，可以在軸承故障的早期階段做出判斷。本文所述診斷實(shí)例就為檢修單位提供了準(zhǔn)確的維修建議，實(shí)現(xiàn)了預(yù)知性計(jì)劃檢修，避免非計(jì)劃檢修或過度檢修，有效降低檢修成本，提高了轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的管理水平。

[1]張鐵新，峰值能量技術(shù)原理及其應(yīng)用[J].電機(jī)技術(shù)，2010(03).

[2]施連勇.峰值能量技術(shù)在診斷軸承故障中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械，2004(03).

[3]申大勇.峰值能量技術(shù)及其在熱電廠電機(jī)滾動(dòng)軸承故障分析中的應(yīng)用[J].能源技術(shù),2006(01).