賀訓(xùn)育，戴風(fēng)濤，蘇志忠，沈小鷗

（中油股份獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆 獨(dú)山子 833699）

加速度包絡(luò)技術(shù)診斷滾動(dòng)軸承故障分析

賀訓(xùn)育，戴風(fēng)濤，蘇志忠，沈小鷗

（中油股份獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆 獨(dú)山子 833699）

介紹了加速度包絡(luò)技術(shù)診斷滾動(dòng)軸承故障原理，該技術(shù)能較好的發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承早期故障，并能準(zhǔn)確診斷故障發(fā)生的具體部位，在實(shí)際中得到了很好的應(yīng)用。

加速度包絡(luò)；滾動(dòng)軸承；診斷故障；應(yīng)用

滾動(dòng)軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中常用的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)承載設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞對(duì)機(jī)械的工作狀態(tài)有很大影響，產(chǎn)生的缺陷會(huì)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和識(shí)別滾動(dòng)軸承故障顯得十分重要，運(yùn)用加速度包絡(luò)技術(shù)，不但能檢測(cè)軸承早期損傷，還能識(shí)別出故障發(fā)生在哪個(gè)軸承元件上，以及軸承損傷的嚴(yán)重程度。

滾動(dòng)軸承運(yùn)行中的故障可以分為兩類(lèi)。一類(lèi)是工作面損傷，如點(diǎn)蝕、剝落、擦傷等；另一類(lèi)為磨損類(lèi)損傷。軸承在正常長(zhǎng)時(shí)間工作情況下，工作面必然發(fā)生漸變性磨損，其產(chǎn)生的振動(dòng)與正常軸承產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)特征具有相同的性質(zhì)，其波形不規(guī)則，隨機(jī)性較強(qiáng)，唯一區(qū)別是，磨損下振動(dòng)幅值較正常情況要大，可以利用這一點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)磨損類(lèi)故障。軸承磨損不會(huì)馬上引起軸承損壞失效，其危害程度遠(yuǎn)小于工作面損傷類(lèi)故障，而工作面一旦開(kāi)始產(chǎn)生損傷，代表軸承壽面已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入晚期，因此在滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)中主要關(guān)注軸承工作面損傷類(lèi)故障。

滾動(dòng)軸承發(fā)生的點(diǎn)蝕、剝落、擦傷等工作面損傷故障都是以沖擊形式出現(xiàn)的。沖擊持續(xù)時(shí)間較短，其能量頻率發(fā)散，落在軸承正常頻率范圍內(nèi)的分量則更加微小，容易被軸承自身結(jié)構(gòu)及加工裝配誤差引起的振動(dòng)所產(chǎn)生的低頻信號(hào)所掩蓋。導(dǎo)致傳統(tǒng)使用的低頻FFT技術(shù)信噪比低、故障檢測(cè)靈敏度低，無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)出滾動(dòng)軸承早期故障。

加速度包絡(luò)技術(shù)是對(duì)低頻沖擊所激起的高頻（比沖擊頻率高數(shù)十倍）共振波形進(jìn)行包絡(luò)檢波（即解調(diào)）和低通濾波，獲得一個(gè)相對(duì)于低頻沖擊放大并展寬了的共振解調(diào)波，并通過(guò)對(duì)此加速度包絡(luò)波的幅值和頻譜分析，判定故障類(lèi)型和損傷程度。

1 加速度包絡(luò)技術(shù)原理

作為振動(dòng)信號(hào)處理的一種方法，加速度包絡(luò)分析是一種基于濾波檢波的振動(dòng)信號(hào)處理方法。其原理流程圖如圖1所示。

圖1 加速度包絡(luò)解調(diào)技術(shù)原理圖

1.1 軸承故障信號(hào)解調(diào)處理過(guò)程

假設(shè)軸承外圈存在一缺陷點(diǎn)，滾子碾過(guò)該缺陷將產(chǎn)生周期性的沖擊力，如圖2所示。這個(gè)周期性的沖擊力對(duì)軸承和軸承座起到激振作用，對(duì)傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高通或帶通濾波，濾掉低頻成分，消除低頻干擾信號(hào)，提高信噪比后得到軸承及軸承座結(jié)構(gòu)在周期性的沖擊力激振作用下所產(chǎn)生如圖3所示的共振響應(yīng)。其特征是一個(gè)周期性的調(diào)幅信號(hào),載波是軸承和軸承座的共振頻率。通過(guò)包絡(luò)檢波器檢波后，去除掉高頻振動(dòng)衰減成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào)如圖4所示。對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行FFT變換便得圖5所示的到故障特征頻譜圖。

圖2 原始沖擊信號(hào)

圖3 原始加速度信號(hào)

表1 NSK6226軸承各元件故障特征頻率 Hz

圖4 加速度包絡(luò)信號(hào)

圖5 加速度包絡(luò)信號(hào)頻譜

1.2 滾動(dòng)軸承故障特征頻率

滾動(dòng)軸承由內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架、外圈四個(gè)元件組成，其幾何尺寸及軸轉(zhuǎn)速頻率決定了各自故障特征頻率。

內(nèi)圈特征頻率：

BPFI=0.5Nb [1+(Bd／Pd)×cosα] Fi

外圈特征頻率：

BPFO= 0.5Nb [1-( Bd／Pd))×cosα] Fi

滾動(dòng)體特征頻率：

BSF=( Pd／2 Bd) [1一(Bd／Pd) 2×cos2α] Fi

保持架特征頻率：

FTF= 0.5[1一(Bd／Pd))×cosα] Fi

式中：Nb為軸承滾子數(shù)，F(xiàn)i為軸轉(zhuǎn)速頻率，Bd為滾子直徑，Pd為滾子分布圓直徑，α為接觸角。

2 滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)例

2.1 排粉機(jī)滾動(dòng)軸承故障

某電廠(chǎng)1#爐乙側(cè)排粉機(jī)為單級(jí)離心式風(fēng)機(jī)。流量57900m3/h，轉(zhuǎn)速1480r/min，輸送介質(zhì)為含濃度小于10%的煤粉混合空氣。排粉機(jī)為懸臂轉(zhuǎn)子，同側(cè)剛性雙支撐結(jié)構(gòu)，兩組支撐軸承布置在同一個(gè)軸承箱內(nèi)，用46#油潤(rùn)滑，工業(yè)循環(huán)水冷卻。聯(lián)軸端側(cè)為兩個(gè)并列放置的滾動(dòng)軸承，軸承型號(hào)為NSK6226。

某次使用斯凱孚CMXA80型振動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)其軸承沖擊值較大，而振動(dòng)烈度較小，經(jīng)過(guò)加速度包絡(luò)技術(shù)分析，發(fā)現(xiàn)沖擊譜圖中出現(xiàn)NSK6226軸承外圈故障特征頻率及其高次諧波，說(shuō)明軸承外圈已經(jīng)存在損傷。

排粉機(jī)聯(lián)軸端軸承型號(hào)為NSK6226，對(duì)照軸承手冊(cè)計(jì)算出該軸承各元件故障特征頻率，如表1。

從表1可知，轉(zhuǎn)速為1480 r/min時(shí)，軸承外圈故障特征頻率為102.70Hz。對(duì)照加速度包絡(luò)沖擊譜圖，如圖6所示，在1kHz頻率范圍內(nèi)，出現(xiàn)了1～5倍軸承外圈故障特征頻率，加速度包絡(luò)沖擊值gE見(jiàn)表2所示。鑒于整體沖擊值較大，達(dá)到16.9，判斷軸承外圈故障已經(jīng)較為嚴(yán)重，建議車(chē)間安排檢修。

隨后，車(chē)間安排檢修，軸承解體后發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸端軸承外圈滾道表面出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕、剝落現(xiàn)象，如圖7所示。

表2 軸承外圈故障特征頻率及其沖擊值

圖6 聯(lián)軸端軸承加速度包絡(luò)沖擊頻譜圖

2.2 引風(fēng)機(jī)電機(jī)滾動(dòng)軸承故障

某電廠(chǎng)5#爐側(cè)引風(fēng)機(jī)由電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)功率355kW，轉(zhuǎn)速985r/min，電機(jī)聯(lián)軸端軸承型號(hào)為NU228E(SKF)。查手冊(cè)，得其內(nèi)、外圈故障特征頻率分別為180.5Hz和135Hz。

在某次振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)聯(lián)軸端軸承沖擊值較大，通過(guò)加速度包絡(luò)技術(shù)分析，發(fā)現(xiàn)沖擊譜圖中（圖8）出現(xiàn)NU228E(SKF)軸承內(nèi)、外圈故障特征頻率及其高次諧波，說(shuō)明軸承內(nèi)、外圈已經(jīng)存在損傷。同時(shí)，內(nèi)圈故障特征頻率及其倍頻兩側(cè)均分布有1倍轉(zhuǎn)速頻率邊帶，說(shuō)明軸承內(nèi)圈損傷已比較嚴(yán)重。

圖7 軸承外圈點(diǎn)蝕、剝落

圖8 電機(jī)聯(lián)軸端軸承加速度包絡(luò)沖擊頻譜圖

3 使用加速度包絡(luò)技術(shù)注意事項(xiàng)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的選取

理論和實(shí)驗(yàn)表明，滾動(dòng)軸承因元件損傷引起的高頻沖擊振動(dòng)由沖擊點(diǎn)以半球面波的方式向外傳播，通過(guò)不同零件交界面一次，其能量損失約80%，因此，檢測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)盡量靠近軸承安裝承載區(qū)載荷最大處，離軸承外圈距離越近越好。檢測(cè)方向上，徑向軸承檢測(cè)徑向振動(dòng)，止推軸承檢測(cè)軸向振動(dòng)，若軸承同時(shí)承受徑向和軸向載荷，則兩個(gè)方向都需檢測(cè)。另外需要注意的是，有些軸承箱冷卻系統(tǒng)使用循環(huán)水冷卻，容易產(chǎn)生流體沖擊，其頻譜特性與軸承潤(rùn)滑不良特性一樣，容易造成誤判，應(yīng)避開(kāi)進(jìn)口管線(xiàn)位置采集數(shù)據(jù)。

3.2 帶通濾波器選取及分析頻率范圍設(shè)置

采集的信號(hào)經(jīng)放大后需要濾除低頻干擾信號(hào)，濾波器的另外一個(gè)作用是使軸承系統(tǒng)在各個(gè)沖擊脈沖力的作用下產(chǎn)生的各個(gè)高頻衰減振動(dòng)之間互相獨(dú)立，互不干擾。軸承系統(tǒng)各自共振頻率與其尺寸有關(guān)，據(jù)此計(jì)算比較麻煩，而低頻干擾信號(hào)的頻率范圍跟設(shè)備運(yùn)行轉(zhuǎn)速相關(guān)，我們可以依據(jù)設(shè)備的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，選取不同的帶通濾波及分析頻率范圍，如表3所示。

3.3 滾動(dòng)軸承故障損傷程度判定標(biāo)準(zhǔn)

加速度包絡(luò)沖擊值為無(wú)量綱值，不同儀器廠(chǎng)家使用加速度包絡(luò)技術(shù)檢測(cè)沖擊能量也不一樣，無(wú)法形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。斯凱孚加速度包絡(luò)沖擊值用gE表示，根據(jù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度和軸頸大小給出了滾動(dòng)軸承故障程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)，如圖9所示。例如，軸頸為100mm，轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)軸承振動(dòng)沖擊值gE報(bào)警值為2.31，危險(xiǎn)值為7。

表3 基于設(shè)備轉(zhuǎn)速選取濾波器及分析頻率

圖9 加速度包絡(luò)沖擊值判斷滾動(dòng)軸承損傷程度標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語(yǔ)

加速度包絡(luò)分析能很好地發(fā)現(xiàn)軸承的缺陷，特別是軸承早期的缺陷，結(jié)合頻譜分析，能較為準(zhǔn)確識(shí)別出軸承哪個(gè)元件出現(xiàn)故障，從而指導(dǎo)維修。一方面避免定期維修增加生產(chǎn)成本，另一方面也避免故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，故障劣化導(dǎo)致軸承失效，更而損壞設(shè)備，造成嚴(yán)重后果。

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1671-0711（2017）05（下）-0063-03