PeakVue技術(shù)在滾動(dòng)軸承故障診斷中的應(yīng)用

張 軍，陸 晨

（蘭州石化公司設(shè)備維修公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期故障，確定故障部位，預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)。

滾動(dòng)軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中發(fā)揮著重要作用。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障約有30%是因滾動(dòng)軸承引起[1]。因此，在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并正確判斷軸承故障，對(duì)于預(yù)知性維修具有重要作用。PeakVue技術(shù)能夠在單位時(shí)間內(nèi)收集振動(dòng)波形峰值，并對(duì)此進(jìn)行分析，能依靠振動(dòng)信號(hào)對(duì)軸承實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)。通過PeakVue技術(shù)可以檢測(cè)到機(jī)械振動(dòng)的異常信號(hào)，對(duì)于早期軸承故障具有敏銳的判斷能力。當(dāng)因金屬之間相互撞擊產(chǎn)生應(yīng)力波時(shí)，會(huì)由于正常撞擊與出現(xiàn)部件缺陷撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波之間的差異，依靠PeakVue進(jìn)行采集，獲得其峰值及出現(xiàn)的周期，并轉(zhuǎn)換成頻譜進(jìn)行分析，進(jìn)而推知缺陷的類型和嚴(yán)重情況[2]。

1 PeakVue技術(shù)簡(jiǎn)介

PeakVue是Peak Value的縮寫，即峰值的意思。PeakVue是一種測(cè)量金屬部件上應(yīng)力波運(yùn)動(dòng)的分析技術(shù)。應(yīng)力波的產(chǎn)生與沖擊、摩擦、疲勞斷裂、潤(rùn)滑故障等等有關(guān)，可以在各種部件上產(chǎn)生，比如滾動(dòng)軸承和齒輪。應(yīng)力波在機(jī)器表面?zhèn)鞑ギa(chǎn)生波紋，對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器產(chǎn)生一個(gè)輸入響應(yīng)，比如加速度傳感器。應(yīng)力波屬于短時(shí)瞬態(tài)事件，其持續(xù)時(shí)間從微秒到幾毫秒，頻率范圍（1～15）kHz，甚至可以擴(kuò)展到 50 kHz。PeakVue信號(hào)處理過程如下。

（1）高通濾波。PeakVue技術(shù)使用高通濾波器將低頻高幅值的常規(guī)振動(dòng)（不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)等）濾去，保留高頻的應(yīng)力波信號(hào)。

（2）高頻采樣。PeakVue使用一個(gè)固定的采樣頻率102.4 kHz，此采樣率與最大分析頻率無關(guān)。高頻采樣可以捕捉和分析非常高頻率的應(yīng)力波，對(duì)于一些低轉(zhuǎn)速設(shè)備，其應(yīng)用效果也很顯著。

（3）峰值抽取和全波整流。PeakVue技術(shù)將一個(gè)采樣周期內(nèi)采集到的所有峰值數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分組對(duì)比，并且每組抽取其中的最大值作為波形的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直至分析所需要的全部波形數(shù)據(jù)點(diǎn)記錄完成，之后再經(jīng)過全波整流，便生成了分析需要的PeakVue波形。

（4）包絡(luò)檢波處理及FFT。將PeakVue時(shí)域波形信號(hào)通過包絡(luò)檢波器，提取出周期信號(hào)，經(jīng)過快速傅立葉變換（FFT）處理，得到PeakVue頻譜。

2 典型案例分析

蘭州石化公司煉油廠500萬t/年常減壓裝置泵P106/1（懸臂泵，型號(hào)：EAP50K3_315，轉(zhuǎn)速：2950 r/min，功率：36.1 kW，介質(zhì)：常一線油，溫度：200℃）在運(yùn)行過程中，巡檢監(jiān)測(cè)人員發(fā)現(xiàn)其非驅(qū)動(dòng)端軸承有異響，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析（圖1）。從圖1看出，泵非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值為1.913 mm/s，按照ISO 10816絕對(duì)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，300kW以下的中型機(jī)器，振動(dòng)值≤1.12 mm/s為優(yōu) 秀 ，1.12 mm/s＜振動(dòng)值≤2.8 mm/s為良好，2.8 mm/s＜振動(dòng)值≤7.1 mm/s為可接受，7.1 mm/s＜振動(dòng)值為不可接受，需要停機(jī)。因此，按照振動(dòng)速度有效值來判斷，只能說明該泵整體運(yùn)行良好，并不能準(zhǔn)確判斷軸承的運(yùn)行狀態(tài)是否良好。

圖1 泵非驅(qū)動(dòng)端速度頻譜

圖2 泵非驅(qū)動(dòng)端加速度波形

從圖2分析，非驅(qū)動(dòng)端加速度波形存在周期性的沖擊，且加速度幅值較大，說明該泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件有碰摩現(xiàn)象，可能是軸承缺陷導(dǎo)致，但從普通的波形中不能判斷出缺陷的具體部位。

利用CSI2130的PeakVue技術(shù)，采集軸承運(yùn)行過程中的應(yīng)力波沖擊峰值波形，將峰值波形轉(zhuǎn)換為頻譜，與軸承故障特征頻率進(jìn)行比對(duì)，便能準(zhǔn)確判斷出軸承故障部位，峰值波形還能直接反應(yīng)故障嚴(yán)重程度。從圖3看出，泵非驅(qū)動(dòng)端軸承NU309E內(nèi)圈故障頻率BPFI=389.5Hz，及其2倍諧波頻率，分別與PeakVue頻譜圖中的390.34 Hz，780.71 Hz線相吻合，并且在390.34Hz頻率周圍還存在轉(zhuǎn)速頻率49.77 Hz的邊帶，符合軸承內(nèi)圈故障的頻譜特征。進(jìn)一步計(jì)算軸承NU309E的內(nèi)圈特征頻率。

圖3 泵非驅(qū)動(dòng)端PeakVue頻譜

式中Z—— 滾動(dòng)體個(gè)數(shù)

D— 軸承節(jié)徑，mm

d— 滾動(dòng)體平均直徑，mm

?— 接觸角，0°

f—— 軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率，Hz

本例中，Z=13，D=72.5 mm，d=13.75 mm，?=0°，f=49.77 Hz，將這些數(shù)值代入式（1），經(jīng)過計(jì)算，NU309E型軸承內(nèi)圈特征頻率f（BPFI）約為387 Hz，與CSI軸承數(shù)據(jù)庫中的NU309E型軸承內(nèi)圈特征頻率BPFI=389.50 Hz基本吻合。進(jìn)一步判斷該軸承內(nèi)圈出現(xiàn)故障。

PeakVue技術(shù)優(yōu)點(diǎn)之一是直接拾取金屬?zèng)_擊造成的脈沖峰值，并直接反映沖擊大小[3]。從圖4中看出，軸承沖擊值（Pk+）達(dá)到了22.70 G's。對(duì)于轉(zhuǎn)速為3000 r/min的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，滾動(dòng)軸承PeakVue波形的沖擊幅值大約在30 G's左右，就能用肉眼觀察到明顯的故障缺陷[4]。軸承拆卸情況如圖5所示，從實(shí)際拆檢情況看，軸承內(nèi)圈滾道表面有嚴(yán)重缺陷，存在明顯的長(zhǎng)條狀壓痕。

圖4 泵非驅(qū)動(dòng)端PeakVue時(shí)域圖

檢修后，從圖6和圖7看出，PeakVue頻譜中軸承故障頻率消失，波形中的沖擊幅值明顯降低，沖擊值（Pk+）降低為2.65 G's，軸承運(yùn)行情況良好。

圖5 軸承內(nèi)圈

圖6 檢修前后泵非驅(qū)動(dòng)端PeakVue頻譜對(duì)比圖

圖7 檢修后泵非驅(qū)動(dòng)端PeakVue時(shí)域圖

3 結(jié)束語

PeakVue技術(shù)是一種依靠應(yīng)力波及時(shí)發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承早期故障的技術(shù)。依靠判斷PeakVue波形峰值的變化趨勢(shì)，輔助以頻譜分析、自相關(guān)分析，可以對(duì)軸承故障部位和故障嚴(yán)重程度做到準(zhǔn)確判斷，對(duì)軸承的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。PeakVue分析技術(shù)相較于速度頻譜分析具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于及時(shí)排除設(shè)備故障隱患，降低檢修成本，提高設(shè)備預(yù)知性維修具有重要作用。

［1］盛兆順等.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］徐英博，韓東方，朱善安.基于Peakvue技術(shù)的軸承故障檢測(cè)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010（7）：115-117，123.

［3］李建勤，胡玉榮，胡繼輝，等.Peakvue技術(shù)在軸承故障診斷中的應(yīng)用［J］.中國設(shè)備工程，2012（1）：17-19.

［4］陸晨.Peakvue技術(shù)在電機(jī)軸承故障診斷中的應(yīng)用［J］.設(shè)備管理與維修，2012（3）：53-55.