滾動(dòng)軸承缺陷頻譜特征及故障診斷實(shí)例
由于使用維護方便、工作性能可靠，滾動(dòng)軸承在旋轉機械中有著(zhù)廣泛的應用，其運行狀態(tài)的好壞對旋轉機械的正常運轉起著(zhù)至關(guān)重要的作用。隨著(zhù)狀態(tài)監測技術(shù)的發(fā)展和應用，通過(guò)提取滾動(dòng)軸承頻譜特征來(lái)進(jìn)行軸承故障診斷的實(shí)例越來(lái)越多。對應用實(shí)踐進(jìn)行總結分析，對滾動(dòng)軸承頻譜特征進(jìn)行分類(lèi)，并列舉了相應的實(shí)例，為滾動(dòng)軸承故障診斷提供參考。
一、前言
旋轉機械是大型石油石化行業(yè)的核心設備，一旦不能正常運轉，將導致整個(gè)裝置停工，會(huì )給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失。滾動(dòng)軸承是旋轉機械的重要部件，滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)與旋轉機械的運行可靠性息息相關(guān)。然而，滾動(dòng)軸承也是機器中最易損壞的部件之一，據統計，在旋轉機械中有70%的故障是由滾動(dòng)軸承引起的，在齒輪箱的各故障中，軸承故障僅次于齒輪故障而占到19%，電動(dòng)機故障中有80%表現為電動(dòng)機軸承故障。因此，滾動(dòng)軸承常見(jiàn)故障診斷顯得十分重要。
隨著(zhù)旋轉設備狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)理論的發(fā)展和應用實(shí)踐，利用振動(dòng)信號監測分析來(lái)判斷滾動(dòng)軸承的運行情況成為可能。一般來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)軸承由內圈、外圈、保持架和滾動(dòng)體四部件組成。當任何一個(gè)部件出現缺陷時(shí)，軸承座振動(dòng)速度頻譜都會(huì )表現出不同的信號特征。
二、頻譜中出現非整數倍頻成分
1. 頻譜特征
在已知滾動(dòng)軸承的幾何尺寸、滾動(dòng)體數目和軸轉速的基礎上，導出了一系列的軸承故障頻率公式。利用這些故障頻率可以分別檢測軸承內圈、外圈、保持架和滾動(dòng)體本身的故障。假如內圈滾道、外圈滾道或滾動(dòng)體上有一處缺陷(剝落或裂紋)，則兩種金屬體在缺陷處相接觸就會(huì )發(fā)生沖擊作用，沖擊的間隔頻率見(jiàn)表1。
表1 由局部缺陷引起的沖擊振動(dòng)間隔頻率
表式中 n——軸的轉速，單位為r/min；d——滾動(dòng)體直徑，單位為mm；Dm——滾動(dòng)體中心直徑，單位為mm；α ——接觸角，指接觸面中心與滾動(dòng)體中心連線(xiàn)和軸承徑向平面之間的夾角，單位為弧度或角度;z——滾動(dòng)體個(gè)數。
現場(chǎng)診斷時(shí)，往往不了解滾動(dòng)軸承的型號和具體尺寸，用表1中的公式計算，其過(guò)程也相當復雜。因此如果只知道滾動(dòng)體的數目，表1中的公式可以進(jìn)行近似簡(jiǎn)化，這樣使用起來(lái)更加靈活方便。
內圈通過(guò)頻率：f1=0.6frz;外圈通過(guò)頻率：f0=0.4frz;保持架通過(guò)頻率：fe=0.4fr。
式中 fr——軸的轉頻;z——滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體數。
研究發(fā)現：
1)滾動(dòng)軸承故障頻率與不平衡、不對中、葉片通過(guò)頻率等振源不一樣，它們都是故障頻率。換言之，軸承故障頻率在振動(dòng)頻譜中不應該存在，只有軸承出現故障時(shí)，才會(huì )發(fā)出的初始故障信號。
2)軸承故障頻率都是轉速頻率的非整數倍頻。
3)速度頻譜中除了非整數倍頻之外，有時(shí)還會(huì )出現其諧波成分。
2. 應用實(shí)例
聚丙烯裝置環(huán)管循環(huán)泵P202，轉速1 450r/min，功率510kW。2013年2月，操作員巡檢發(fā)現泵軸承座振動(dòng)呈上升趨勢。
與以前采集的振動(dòng)數據相比，泵軸承座各測點(diǎn)振動(dòng)值同步增大，以葉輪側垂直方向振動(dòng)能量增大最為顯著(zhù)。各測點(diǎn)1 000Hz振動(dòng)速度譜中，存在工頻及較多的非整數倍頻成分。利用PE A K V UE技術(shù)采集信號，發(fā)現以10.62Hz頻率成分幅值突出，且存在其倍頻成分。泵各測點(diǎn)振動(dòng)波動(dòng)較大，以149Hz(6x)、288Hz(11.60x)、404Hz(16.24x)頻率成分波動(dòng)為主，工頻幅值保持穩定。SPM軸承故障診斷儀T30，對該泵軸承沖擊數據進(jìn)行采集，dBc為14dB、處于綠區，dBm為33dB、處于黃區，非常接近紅區的下限35dB。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為，該泵軸承已出現缺陷的可能性大，同時(shí)伴有松動(dòng)摩擦。
2013年3月，公司安排該泵停運檢修發(fā)現，主密封側軸承外圈跑套嚴重，定位軸承銅保持架、內圈滾道等部位有明顯磨損痕跡，滾動(dòng)體表面蝕坑多。
三、頻譜中出現高頻連續譜
1. 頻譜特征
滾動(dòng)軸承故障后期，振動(dòng)速度頻譜中會(huì )出現隨機的寬帶超聲能量，這個(gè)能量成分一般出現在2 000～5 000Hz。因此，在采集數據時(shí)，需要將頻帶放寬至5 000Hz，觀(guān)察頻譜中高頻部分的頻率分布及能量的大小。但由于安裝和潤滑等因素的影響，有些軸承的運行初期就存在較低幅值的高頻連續譜，因此，利用比較分析的方法更加準確可靠。
2. 應用實(shí)例
重整裝置氨冷凍機為螺桿壓縮機， 電動(dòng)機及陰陽(yáng)轉子均采用滾動(dòng)軸承。電動(dòng)機工頻：2972/60=49.53Hz;陽(yáng)轉子(型線(xiàn)數4)工頻：49.53Hz;陰轉子(型線(xiàn)數6)工頻：49.53×4/6=33Hz;轉子嚙合頻率：49.53×4=33×6=198Hz。
氨冷凍機現場(chǎng)噪聲增大，現場(chǎng)采集振動(dòng)信號(見(jiàn)表2和圖1)。分析發(fā)現，電動(dòng)機振動(dòng)較小，氨壓機聯(lián)軸節側軸承座三個(gè)方向振動(dòng)值均偏大、且以垂直和軸向振動(dòng)表現尤為突出。
表2 氨冷凍機軸承座振動(dòng)烈度 (單位：mm/s)
圖1 檢修前后聯(lián)軸節側軸承座垂直振動(dòng)速度頻譜對比
速度頻譜中存在以下幾種頻率成分：
1)極低頻率成分，噪聲底線(xiàn)抬起。
2)高頻連續譜，該頻段幅值突出的頻率成分為各基頻的非整數倍頻，噪聲底線(xiàn)明顯抬高，存在以陽(yáng)轉子工頻為間隔頻率的邊帶成分。
3)陰、陽(yáng)轉子工頻和轉子嚙合頻率成分及其諧波，但幅值均較小。分析認為，聯(lián)軸器側滾動(dòng)軸承和推力軸承出現磨損的可能性大。時(shí)隔一周檢修發(fā)現，冷凍機推力軸承嚴重磨損(單邊偏磨)，靠螺桿側內圈軸向磨損量達1.22mm以上，邊上有明顯剝落與點(diǎn)坑。陽(yáng)螺桿非驅動(dòng)端徑向圓柱軸承嚴重磨損；陰螺桿非驅動(dòng)端徑向圓柱軸承有磨損。
四、頻譜中出現邊帶成分
1. 頻譜特征
當軸承內圈、外圈出現早期故障時(shí)，以單個(gè)故障頻率成分出現在頻譜中。隨著(zhù)故障擴展會(huì )引起軸承內圈、外圈故障頻率的幅值增大。如果故障進(jìn)一步惡化，速度頻譜中則會(huì )出現內圈、外圈故障頻率的高次諧波、以及邊帶成分出現。邊帶的間隔頻率比較常見(jiàn)的有兩種，一種是軸的轉頻，另一種是保持架的故障頻率。
2. 應用實(shí)例
(1)邊帶間隔頻率為軸的轉頻 焦化裝置加熱爐鼓風(fēng)機變頻電動(dòng)機噪聲大，現場(chǎng)采集軸承座振動(dòng)信號(見(jiàn)圖2)。測試時(shí)，電動(dòng)機轉速為520r/min，工頻為8.67Hz。電動(dòng)機軸承座振動(dòng)頻譜中出現了以5.326x的非整數倍頻成分及其高次諧波。且在高次諧波成分左右出現了以電動(dòng)機工頻為間隔頻率的對稱(chēng)邊帶。
圖2 電動(dòng)機前軸承座垂直振動(dòng)速度頻譜
檢修發(fā)現，該軸承外圈電流腐蝕嚴重，軸承外圈搓板狀缺陷明顯，如圖3所示。
圖3 軸承外圈電流腐蝕嚴重
(2)邊帶間隔頻率為軸轉頻的非整數倍 聚丙烯裝置動(dòng)力分離器攪拌器A301于2011年4月在役運行。2013年6月底發(fā)現分離器推力軸承水平振動(dòng)值上升到6.0mm/s左右。后經(jīng)潤滑脂置換、將潤滑脂改為高溫潤滑脂后，振動(dòng)烈度下降趨勢明顯，SPM沖擊數據近黃區上線(xiàn)、趨勢趨于平穩。
攪拌器轉速為1 470r/min，對輪側軸承型號：SKF3317A，葉片側軸承型號：SKF NU2316E。7月初，對分離器軸承座振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析發(fā)現，對輪側軸承座水平測點(diǎn)1 000Hz帶寬速度頻譜(見(jiàn)圖4)中，存在0.28x～0.66x頻的次倍頻成分、低頻段噪聲底線(xiàn)明顯抬高，存在139.81Hz(5.63x)、205.57Hz(8.27x)的非整數倍頻成分，在13x(NU2316E軸承滾動(dòng)體個(gè)數為13個(gè))左右出現間隔頻率為10.63Hz(0.43x：可能為保持架故障頻率)邊帶成分。將頻帶放寬至5 000Hz采集信號，未見(jiàn)明顯的高頻連續譜出現。這里，0.43x的非整數倍頻以邊帶的形式出現，需要引起足夠的重視。
圖4 泵對輪側軸承座水平振動(dòng)速度頻譜
8月停運檢修，將攪拌器解體發(fā)現，對輪側軸承保持架上半邊松脫，可以直接取出，上、下保持架磨損嚴重。
五、結語(yǔ)
1)實(shí)踐證明，通過(guò)提取軸承座振動(dòng)的速度頻譜特征，可以準確地判斷滾動(dòng)軸承的運行情況、出現缺陷的部件及缺陷的嚴重程度。
2)現場(chǎng)遇到的滾動(dòng)軸承缺陷復雜，很多情況都是多種缺陷同時(shí)出現，因此速度頻譜中往往會(huì )多種故障特征并存。
3)滾動(dòng)軸承振動(dòng)大小的判斷，不能教條地依據標準中給出的振動(dòng)界限值。由于滾動(dòng)軸承的安裝精度、使用潤滑條件的影響，軸承所能承受的振動(dòng)值也不盡相同。最有效的方法是對軸承振動(dòng)的上升幅度進(jìn)行分析，可以更加準確地判斷滾動(dòng)軸承的運行狀況。
4)滾動(dòng)軸承監測診斷的技術(shù)很多，除了振動(dòng)頻譜分析技術(shù)，還有SPM公司開(kāi)發(fā)的沖擊脈沖技術(shù)、恩泰克公司的尖峰能量技術(shù)、艾默生公司的PEAKVUE技術(shù)等。實(shí)際應用中，多種技術(shù)手段結合，可以提高滾動(dòng)軸承故障診斷的準確率。
