PeakVue 技術(shù)在軸承早期故障檢測中的應(yīng)用

陳惠林

（華能石洞口第二發(fā)電有限公司，上海 200942）

0 引言

實踐表明，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸承僅有10%能運行到設(shè)計壽命年限，其余的會因為潤滑不良、裝配失誤或者選型不對、制造缺陷等導(dǎo)致壽命減少。軸承的突然失效會導(dǎo)致嚴重的后果和巨大的經(jīng)濟損失，所以如何在早期及時發(fā)現(xiàn)軸承的故障對于設(shè)備的安全運行至關(guān)重要。

1 軸承故障在振動頻譜圖中的特征

在振動頻譜圖中，軸承的故障頻率是不同于1×基頻倍數(shù)的不同步分量。與軸承故障頻率有關(guān)的4 個參數(shù)有滾珠過內(nèi)圈頻率（BPI）、滾珠過外圈頻率（BPO）、保持架轉(zhuǎn)速頻率（FT）和滾珠的自轉(zhuǎn)頻率（BS）。相關(guān)公式如下：

其中，d 為滾珠直徑，D 為軸承節(jié)徑，n 為滾珠數(shù)，α 為接觸角。

另外，當(dāng)滾珠上的缺陷既撞擊內(nèi)環(huán)又撞擊外環(huán)，BS 值可能加倍。

如果頻譜圖上出現(xiàn)圖1 中這樣的高峰并伴有邊頻帶或諧波，那么軸承出現(xiàn)故障的概率很大。因為圖1 中軸承的4 個故障頻率——BPI、BPO、FT 和BS，均不是整數(shù)。

2 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

圖1 振動頻譜圖中諧波分類

如果在頻譜圖的低頻范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了軸承的故障頻率，表明故障已經(jīng)到了比較嚴重的地步。如何能更早地發(fā)現(xiàn)軸承出現(xiàn)問題，就需要使用調(diào)制解調(diào)（包絡(luò)檢波）技術(shù)（與收音機的AM 調(diào)幅技術(shù)類似）。調(diào)制解調(diào)技術(shù)是目前普遍使用的、針對早期滾動軸承和齒輪故障診斷的信號采集和處理方法。

當(dāng)軸承旋轉(zhuǎn)時，軸承上的故障滾珠會重復(fù)不斷地經(jīng)過載荷區(qū)和無載荷區(qū)，因此會出現(xiàn)幅值時大時小的調(diào)制信號，即故障頻譜被旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制。在頻譜圖上可以看見，間隔為保持架轉(zhuǎn)速頻率的邊頻帶（0.4 倍的1×頻率），當(dāng)內(nèi)圈故障時邊頻帶的間隔為基頻（圖2～圖3）。

圖2 被調(diào)制的故障信號

這個過程一般由以下3 個步驟實現(xiàn)。

（1）解調(diào)。通過高通濾波器濾掉低頻信號并讓軸承故障等高頻信號（＞2 kHz）通過（圖4～圖5）。

圖3 高通濾波

圖4 高頻包絡(luò)

（2）包絡(luò)。通過解調(diào)器將高頻的變頻帶轉(zhuǎn)移到基頻處（高頻包絡(luò)），然后通過整流器去掉負向信號，只保留正向信號（圖6）。

（3）最后使用抗混頻低通濾波器將高頻的其他調(diào)制源的殘余信號濾掉，就能得到軸承等有用的故障信號（圖7）。

由于轉(zhuǎn)動機械不同的故障所在的頻率也各不相同，從低的次同步諧波到高的齒輪嚙合頻率諧波，因此，需要先對振動探頭在高、中、低頻段的輸出波形進行濾波，然后進行包絡(luò)解調(diào)，對高、中、低頻段的頻譜波形進行處理和分析，以確定旋轉(zhuǎn)機械的故障類型。但是把三頻段帶通濾波后的時域信號變換到頻域分析，最少要經(jīng)過3 次的FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換），其采集的數(shù)據(jù)量和運算量均會增加很多，信號處理速度較慢。

不過，調(diào)制解調(diào)技術(shù)只能判斷軸承類的早期故障，而不能判斷故障的嚴重性，而且沒有實時的趨勢跟蹤也就不能及時地對軸承故障進行預(yù)警。于是各個振動分析領(lǐng)域的專業(yè)公司，針對軸承故障診斷開發(fā)了大同小異的先進檢測方法。艾默生公司的應(yīng)力波PeakVue 專利技術(shù)就是其中之一，該技術(shù)可以做到調(diào)制解調(diào)技術(shù)無法做到的上述內(nèi)容。

圖5 濾波和整流信號

圖6 低通濾波

圖7 處理后的振動頻譜

3 PeakVue 技術(shù)

艾默生公司的PeakVue 技術(shù)可以在振動頻譜的背景信號中分離出頻率高但幅值低的周期性故障信號，這些頻率主要為早期的齒輪箱和軸承的故障頻率，通過時域頻譜中的加速度PeakVue 值可以量化故障的嚴重程度，并配合分析頻譜波形可以診斷故障的原因。更為重要的是，還可以對不同時間測得的PeakVue 值進行趨勢分析故障的發(fā)展?fàn)顩r。

3.1 工作原理

要了解PeakVue 的工作原理，首先需要了解應(yīng)力波的概念。應(yīng)力波是發(fā)生于機械的金屬對金屬的沖擊、應(yīng)力裂痕或摩擦現(xiàn)象，是一種非常短暫的（1.0×10-6～1.0×10-3s）、連續(xù)性脈沖的信號，即頻率非常高，常常在1～50 kHz。當(dāng)缺陷發(fā)展時，其頻率會降低直至在發(fā)生嚴重故障前被常規(guī)振動頻譜分析儀所捕獲。滾動軸承和齒輪箱的早期失效，均會導(dǎo)致應(yīng)力波的出現(xiàn)。

安裝在軸承上和齒輪箱上的壓電式加速度傳感器的時域輸出波形非常復(fù)雜，由隨機信號、高頻和低頻周期性信號、應(yīng)力波等多種信號組合而成。PeakVue 技術(shù)的振動探頭運用Fmax=100 kHz 的高頻采樣采集設(shè)備振動信號，并使用高通濾波器（High-pass filter）從采集的原始振動信號中去除低頻段，分離出高頻的應(yīng)力波脈沖信號，再通過二次采樣處理此應(yīng)力波，得到PeakVue 時域波形和通頻值。最后通過FFT 數(shù)字變換得到PeakVue 頻譜波形。應(yīng)力波不僅會在高轉(zhuǎn)速的設(shè)備上產(chǎn)生，在低轉(zhuǎn)速的設(shè)備上也會出現(xiàn)，只要是金屬間碰撞所產(chǎn)生的應(yīng)力波皆能檢測，如高頻段的軸承、齒輪箱的磨損故障和低頻段的軸承的潤滑不良、水泵的汽蝕等，因此通過時域波形峰值可以精準(zhǔn)地判斷故障的嚴重程度。同理，跟蹤PeakVue 值的變化，就可以準(zhǔn)確地判斷軸承和齒輪箱故障的發(fā)展階段和剩余壽命。

3.2 技術(shù)特點

（1）PeakVue 在處理中保持了振動頻譜分析儀采集到的實際振動信號值，能真實反映振動幅值情況，通過不同時間的多次采集可以進行趨勢分析（圖8）。

（2）PeakVue 并不局限于中頻范圍，它可以監(jiān)測高速和非常低速（轉(zhuǎn)速最低至1 r/min，對設(shè)備的轉(zhuǎn)速無要求）的沖擊故障，因此是低速設(shè)備監(jiān)測的好方法。

（3）數(shù)字式高頻采樣模塊，不受采樣定律限制。

（4）靈敏地采集應(yīng)力波信號，例如軸的疲勞裂縫、軸瓦摩擦、軸承及齒輪箱磨損或故障早期的沖擊，運用PeakVue 技術(shù)可以分析出故障頻率并同時掌握振動嚴重程度。

（5）PeakVue 技術(shù)能夠在故障早期及時預(yù)警，避免設(shè)備的非停，配合其他檢測手段還能做到狀態(tài)檢修，減少備品配件，降低檢修成本。

華能石洞口第二發(fā)電有限公司于2016 年12 月開始采用艾默生重要輔機無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，2018 年8 月又上了二期項目。截止目前，該系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了一期和二期4×600 MW機組的汽機房0 m、六大風(fēng)機和脫硫區(qū)域。該系統(tǒng)采用了艾默生公司具有PeakVue 專利技術(shù)的CSI9420 無線振動變送器。CSI9420 無線振動變送器不僅可提供振動總量、趨勢報警、頻譜以及時域波形，還集成了PeakVue 技術(shù)，通過AMS 智能設(shè)備管理軟件可以對現(xiàn)場變送器進行在線的實時監(jiān)測和診斷（圖8）。

表1 是針對電機直連、轉(zhuǎn)速在600～6000 r/min 的臥式泵的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

圖8 艾默生PeakVue 頻譜圖

表1 PeakVue 值與軸承壽命的關(guān)系

表2 PeakVue 值與設(shè)備狀態(tài)的關(guān)系

2017 年5 月10 日下午15 時，這套系統(tǒng)使用不久，就發(fā)現(xiàn)了1 號機組的一次風(fēng)機1B 風(fēng)機驅(qū)動端軸承PeakVue 值偏高，及時發(fā)現(xiàn)了一起軸承早期故障的事件（圖9、圖10）。

故障原因分析如下：

圖9 振動值與PeakVue 值比較

圖10 一次風(fēng)機1B 風(fēng)機驅(qū)動端頻譜圖

一次風(fēng)機1B 額定轉(zhuǎn)速1480 r/min，風(fēng)機軸承型號為SKF 22226-E-C3，為2014 年更換。根據(jù)頻譜分析其1×頻率最高，未見其他整數(shù)倍頻，并存在1×和2×軸承保持架故障頻率，時域圖PeakVue 值最高至21.69 g's。但其振動值和軸承溫度均不高，聽棒也未聽出明顯異常噪聲，處于故障中期階段，但是軸承保持架故障危害性較大，所以在6 月1 號機的調(diào)停中更換了該軸承。復(fù)查頻譜恢復(fù)正常，PeakVue 值在2 g's 以下。拆解下來的軸承保持架確實有較明顯的磨損痕跡。

4 總結(jié)

開展旋轉(zhuǎn)機械軸承的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，運用好如PeakVue 等先進技術(shù)，做好重要輔機的狀態(tài)監(jiān)測，更有利于檢修和更換軸承的計劃性，減少事故發(fā)生，延長運行周期，提高可靠性和經(jīng)濟性，對于最大限度地發(fā)揮軸承工作能力具有實際意義。