先 堯

（中國石油蘭州石化公司合成橡膠廠）

丁苯裝置動/靜設(shè)備比例大于1。 在設(shè)備管理上，除了做好動設(shè)備的日常檢查、潤滑及計劃檢修等工作外， 還可以利用先進的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測各類動設(shè)備滾動軸承的運行參數(shù)，做到故障的早發(fā)現(xiàn)和故障類型的精確判斷［1］。

目前，利用振動監(jiān)測儀器診斷轉(zhuǎn)動機械的滾動軸承是比較常用的方法。 隨著手持式監(jiān)測儀器和配套軟件性能的不斷提升， 動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、利用監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)維修和幫助故障分析，已經(jīng)成為常規(guī)做法。 丁苯裝置有各式離心泵、10余臺水環(huán)式壓縮機、50余臺各式減速機和6臺擠壓脫水機，這些重要動設(shè)備均具有良好的開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測的條件：一是機泵測振點條件好，易于取得理想數(shù)據(jù)樣本；二是監(jiān)測儀器、人員配備到位，群眾基礎(chǔ)好；三是積累、建立了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)樣本庫。

2014年以來，測量人員定時、定點監(jiān)測B類設(shè)備的軸承x、y軸兩個方向的位移、 速度和加速度值， 參考?xì)v史數(shù)據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行狀態(tài)監(jiān)測工作，取得了一定的效果和經(jīng)驗。 但受制于是離線設(shè)備監(jiān)測，時效性差，準(zhǔn)確度依然不能滿足指導(dǎo)檢修的需求， 也無法精確判斷故障類型等因素，近年來，隨著公司對狀態(tài)監(jiān)測工作標(biāo)準(zhǔn)的提升和技術(shù)人員狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)水平的提高，車間逐步引入了頻譜分析方法。 目前，車間的狀態(tài)監(jiān)測開展水平不僅能做到故障的提前發(fā)現(xiàn)，而且能在一定程度上判斷出故障類型，為設(shè)備檢維修提供了較為精確的參考依據(jù)。

筆者在參考滾動軸承故障特征頻率經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合裝置內(nèi)機泵實際情況、參照歷史數(shù)據(jù)，對經(jīng)驗公式進行實際值修正，最終形成適合車間動設(shè)備特性的滾動軸承故障特征頻率表。 該項工作降低了動設(shè)備故障率，有效提高了設(shè)備檢維修的效率。

1 滾動軸承故障的特征頻率方法及理論推導(dǎo)計算

1.1 滾動軸承故障時域分析和頻域分析

振動是客觀存在的，日常狀態(tài)監(jiān)測取得的軸承位移、 速度和加速度值是振動的時域信號，包含了振動的大小、能量及頻率等。 設(shè)備的運行情況是在時域中發(fā)展、驗證的，并習(xí)慣于事件按時間的先后順序發(fā)生的思維定勢。 但實際上所測得的振動數(shù)據(jù)通常是由多個振源疊加后的結(jié)果，如某個軸承位移值突然升高了，只能判斷可能是故障振動源破壞力加劇了，甚至這種情況利用聽覺或觸覺也能感受到，無法定性地判斷是什么原因造成的。 而頻域分析彌補了這一缺憾，利用傅里葉級數(shù)和傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號［2］，即，將振動變量由時間變?yōu)轭l率，從頻率角度看振動。 時域分析是以時間軸為坐標(biāo)表示動態(tài)信號的關(guān)系；而頻域分析是把信號變?yōu)橐灶l率為坐標(biāo)的表現(xiàn)形式。 時域分析與頻域分析是對模擬信號從不同的觀察面進行觀察分析。 在狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、分析中，時域的表示較為形象與直觀；頻域分析則更為簡練， 剖析問題更為深刻和方便，二者相輔相成，能更好地分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 理論推導(dǎo)計算

當(dāng)軸承元件的工作表面出現(xiàn)局部缺陷時，會以一定的發(fā)生頻率（取決于轉(zhuǎn)速、軸承型號）產(chǎn)生一系列的寬帶沖擊， 稱為軸承的 “通過頻率”或“故障頻率”，實際中滾動軸承故障振動監(jiān)測就是檢測該頻率［2］。

以較為通用的角接觸球軸承為例，通過分析軸承各元件之間的相對運動關(guān)系來推出軸承故障特征頻率的計算公式。 圖1所示為滾動軸承各元件之間運動關(guān)系［3］。為簡單起見，設(shè)軸承外圈固定，內(nèi)圈（即軸）的旋轉(zhuǎn)頻率為fr，軸承節(jié)徑為D，滾動體直徑為d，接觸角為α，滾動體個數(shù)為z，并假定滾動體與內(nèi)外圈之間純滾動接觸。

圖1 滾動軸承各元件之間運動關(guān)系

由于外圈固定， 所以滾動體上B點的速度為零，而A點的速度vA為：

由此可以得到：

其中，fc為滾動體的公轉(zhuǎn)頻率，即保持架的轉(zhuǎn)動頻率。

設(shè)滾動體的自傳頻率為fg，其計算為：給整個軸承加一個轉(zhuǎn)動角速度-fc（相當(dāng)于站在保持架上看軸承運動），則此時保持架固定不動，外圈以-fc轉(zhuǎn)動，根據(jù)純滾動關(guān)系，此時B點的速度（注意此時滾動體上A點繞其中心C轉(zhuǎn)動）vB為：

由此可得：

綜上所述，當(dāng)外圈有缺陷時，外圈的故障特征頻率為：

當(dāng)內(nèi)圈有缺陷時，內(nèi)圈的故障特征頻率為：

當(dāng)滾動體有缺陷時，滾動體的故障特征頻率為：

1.3 滾動軸承故障特征頻率的經(jīng)驗公式

綜合式（5）～（7），考慮到日常應(yīng)用的方便性，結(jié)合車間各設(shè)備的測振點， 理想測振點情況、歷史數(shù)據(jù)校驗情況及已經(jīng)公布的經(jīng)驗公式等，取得如下經(jīng)驗公式：

a. 內(nèi)圈故障頻率，fi=0.6zfr；

b. 外圈故障頻率，fo=0.4zfr；

c. 保持架故障頻率，fc=（0.381～0.400）fr；

d. 滾動體故障頻率，z＜10時fb=0.23zfr，z＞10時fb=0.18zfr；

e. 外圈與保持架關(guān)系為fo=zfc；

f. 外圈與內(nèi)圈關(guān)系為fo=zfr。

為便于應(yīng)用，將公式轉(zhuǎn)換為自動計算的表格（表1），使用時輸入軸承轉(zhuǎn)速和滾動體個數(shù)即可。

表1 實際值校驗經(jīng)驗公式的修正表

2 軸承故障特征頻率的經(jīng)驗公式在丁苯裝置的應(yīng)用

2.1 基于擠壓機軸承故障的數(shù)據(jù)分析案例

基于擠壓機軸承故障的數(shù)據(jù)分析案例為軸承滾動體磨損，內(nèi)圈剝落故障。2019年8月，J-601A擠壓機電機軸承監(jiān)測異常，表現(xiàn)為監(jiān)測位移值比平時監(jiān)測數(shù)值高30%， 連續(xù)兩周監(jiān)測均維持在同一水平。 該設(shè)備具體參數(shù)如下：

軸承型號 29434E

滾動體尾端中心圓直徑D 297.7mm

滾動體中心處直徑d 45mm

接觸角β 30°

滾動體數(shù)目z 21

擠壓機軸轉(zhuǎn)速N 120r/min

減速箱輸入轉(zhuǎn)速N11 480r/min

將以上參數(shù)代入表1計算，結(jié)果表明是由載荷過大引起的軸承斷裂故障， 而現(xiàn)場測得頻譜圖如圖2所示，1倍頻（X1）、2倍頻（X2）故障特征明顯。

圖2 現(xiàn)場測得頻譜圖

結(jié)合表1，研判圖2數(shù)據(jù)，在圖2中出現(xiàn)大量內(nèi)圈故障頻率fr=25.2Hz的倍頻， 符合軸承內(nèi)圈故障特征［5］。 實際拆解后發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈上出現(xiàn)橫向裂紋（圖3）。

圖3 軸承內(nèi)圈損傷顯微放大圖

經(jīng)分析，故障原因是滾動體磨損，內(nèi)圈出現(xiàn)裂紋。

2.2 滾動軸承故障頻率在丁苯裝置的應(yīng)用

如前所述，丁苯裝置大量動設(shè)備軸承采用滾動軸承，頻域分析法對于軸承故障的定性判定有優(yōu)勢，車間在積累時域數(shù)據(jù)的同時，在頻域判斷方面利用表1計算了各設(shè)備軸承故障頻率。 在實際使用時，表1為電子自動計算表格，只需根據(jù)軸承轉(zhuǎn)速，輸入相關(guān)參數(shù)，便可以自動計算出相應(yīng)故障頻率。 在日常時域數(shù)據(jù)監(jiān)測異常時，著手進行現(xiàn)場頻域數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，再根據(jù)時域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)綜合考量， 進一步確定軸承故障類型，以此制定下一步維修策略， 可以提前發(fā)現(xiàn)軸承故障，進一步降低因軸承故障引起的非計劃停車［6］，故障診斷流程如圖4所示。

圖4 故障診斷流程

目前，可以用頻譜分析方法判斷的故障類型除了滾動軸承典型故障外，還有以下故障：

a. 轉(zhuǎn)子不平衡， 故障特征頻率為f=1/60n，特征為在轉(zhuǎn)子徑向測點的頻譜圖上，工頻有突出的峰值；

b. 轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的連接對中不好，其特征為軸向有較大1倍頻、2倍頻振動值，但不會出現(xiàn)1倍頻、2倍頻或3倍頻特別突出的情況， 振動頻譜與角度不對中有相同的征兆，但2倍頻通常高于1倍頻；

c. 減速機齒輪系統(tǒng)的故障，其特征頻譜圖較為復(fù)雜， 通常會顯示齒輪嚙合頻率及其諧波，同時在其嚙合頻率上有邊頻， 邊頻大小通常為工頻，需要做更為細(xì)致的頻譜分析，才能較為準(zhǔn)確地判斷故障特征。

3 結(jié)論

3.1 滾動軸承時域信號（位移、速度和加速度）的監(jiān)測是設(shè)備管理的一個重要技術(shù)手段，在滾動軸承故障頻域的理論和實踐分析基礎(chǔ)上，可進一步開展各類型故障的數(shù)據(jù)積累與挖掘，為下一步精確檢修提供有力方向。

3.2 時域分析和頻域分析相輔相成， 頻域分析需要專業(yè)技術(shù)人員“識譜”。 在設(shè)備運維中，設(shè)備狀態(tài)檢測工作將由物-數(shù)據(jù)-人連成體系， 形成長期學(xué)習(xí)案例、數(shù)據(jù)與實際互相佐證的數(shù)據(jù)挖掘過程。

3.3 對動設(shè)備較多且“理想測點”較多的化工裝置具有推廣性， 但受制于裝置特點和測點情況，需長期積累數(shù)據(jù)，在理論計算的基礎(chǔ)上結(jié)合實際經(jīng)驗，對經(jīng)驗公式進行校正。