一種大型磨機減速器軸承故障診斷的有效方法與應(yīng)用

李 超，尹慶凱，馮浩源

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

磨 機是選礦流程中的關(guān)鍵設(shè)備，且日益向大型化方向發(fā)展。大型重載減速器作為傳動鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]，其軸承承受更大的載荷，所以軸承故障也是減速器失效的主要原因之一，其損壞導(dǎo)致的非計劃停機將產(chǎn)生較長的維修時間和巨大的經(jīng)濟損失。減速器軸承的定期精密振動點檢是設(shè)備管理部門的一項重點工作內(nèi)容，目的是及時發(fā)現(xiàn)早期故障，制定維修計劃，避免非計劃停機。

重載滾動軸承故障所引起的振動信號成分能量在信號總能量中所占比例很小，容易被設(shè)備正常的寬頻振動信號及其他背景噪聲所淹沒，而難以分離識別，這對判斷軸承故障增加了很大難度。筆者利用先進的 PeakVue技術(shù)[3]，并將該信號與自相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，以圓周波形圖形式直觀地顯示振動發(fā)生過程，可有效地采集與分離出故障信號，并準確判斷故障的嚴重程度，識別軸承故障部位，推測具體的損壞形式，為減速器軸承有計劃的更換提供可靠的依據(jù)。

1 PeakVue技術(shù)介紹

1.1 基礎(chǔ)原理[4]

當(dāng)物體之間發(fā)生撞擊時，其產(chǎn)生的能量在短時間內(nèi)被存儲在很小的一個區(qū)域，該能量將擾亂設(shè)備的微觀平衡狀態(tài)，通過應(yīng)力波的形式在金屬內(nèi)部傳播，并在金屬或設(shè)備表面產(chǎn)生小而短的漣漪，具有足夠帶寬和靈敏度的傳感器才可捕捉到該振動信息。

通過研究彈性體接觸的赫茲理論和應(yīng)力波在金屬內(nèi)傳播的波理論，可以分析應(yīng)力波的產(chǎn)生過程和能量分布頻段。如圖 1所示，當(dāng)金屬球撞擊金屬板時，在其表面產(chǎn)生應(yīng)力波，根據(jù)赫茲理論有

式中：λ為應(yīng)力波在被撞擊物件上的波形長度；C為波在被撞擊物件上的傳播速度；F為被激起的應(yīng)力波PeakVue的頻率。

圖1 金屬球撞擊金屬板表面產(chǎn)生應(yīng)力波Fig.1 Stress ripple due to steel ball hitting steel plate

研究表明，沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波能量頻率分布范圍為 10～ 30 kHz。

1.2 應(yīng)力波的采集與分析

具有合適的頻率響應(yīng)范圍和靈敏度的傳感器均可采集到旋轉(zhuǎn)機械中因部件故障撞擊而產(chǎn)生的應(yīng)力波。實際應(yīng)用中寬帶寬和靈敏度為 100 mV/g的加速度傳感器可滿足大部分 PeakVue測量的使用要求。

根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于信號中最高頻率的 2倍時，可完整地保留原始信號中的信息，一般應(yīng)保證采樣頻率為信號中最高頻率的 2.56～4.00倍。如圖 2所示，PeakVue首先采用固定 10 kHz高速采樣技術(shù)，并使用高通濾波器，從振動時域波形中分離出應(yīng)力波的脈沖信號，再經(jīng)過信號處理技術(shù)，保留脈沖周期和真實的幅值，得到 PeakVue時域波形[3]。

圖2 PeakVue技術(shù)振動數(shù)據(jù)采集和處理流程Fig.2 Flowchart of vibrating data acquisition and processing by PeakVue technology

共振解調(diào)技術(shù)也常用于軸承故障的分析診斷中，其振動數(shù)據(jù)采集和處理流程如圖 3所示。它與PeakVue技術(shù)在數(shù)據(jù)采樣速度和部分處理過程上區(qū)別較大，這也是 PeakVue技術(shù)在分析故障時明顯優(yōu)于共振解調(diào)技術(shù)的原因。

圖3 共振解調(diào)技術(shù)振動數(shù)據(jù)采集和處理流程Fig.3 Flowchart of vibrating data acquisition and processing by resonance demodulation technology

特別是在軸承早期故障診斷時，PeakVue使用的高速采樣技術(shù)可在短時間內(nèi)獲取和保持應(yīng)力波的沖擊峰值 (見圖 4)，而共振解調(diào)技術(shù)過程響應(yīng)慢，只能獲取沖擊的周期，無法得到?jīng)_擊幅值的全面信息 (見圖5)。

圖4 PeakVue技術(shù)捕獲的信號Fig.4 Signal captured by PeakVue technology

圖5 共振解調(diào)技術(shù)捕獲的信號Fig.5 Signal captured by resonance demodulation technology

在傳統(tǒng)的解調(diào)頻譜中，未有效過濾的噪聲信號會掩蓋與缺陷相關(guān)的峰值信號，因此難以提供實際的缺陷信息。PeakVue時域波形則真實反映了設(shè)備的沖擊，從時域波形的幅值就可以判斷出故障的嚴重程度，跟蹤其趨勢可以推測何時進行有計劃的維修。

2 自相關(guān)技術(shù)

對于 2個不同時刻的信號x(t) 和x(t+τ)，其自相關(guān)函數(shù)定義為[4]

在處理時間采集的信號時，需要進行離散化，

式中：T為采樣長度；M為采樣點數(shù)；n為采樣數(shù)據(jù)間隔。

它研究了一個信號不同時刻的線性關(guān)系或相似程度，并剔除原信號中的隨機成分，保留周期成分。通過自相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)信號的周期特點。

自相關(guān)函數(shù)值對分析傳統(tǒng)振動無甚裨益，但在分析基于 PeakVue技術(shù)的機器沖擊數(shù)據(jù)時則非常有用。自相關(guān)函數(shù)值通常會返回 0～ 1之間，函數(shù)值接近0，表明信號具有高度隨機性；函數(shù)值大于 0.25，表明沖擊信號的周期性明顯，或沖擊由機械故障引發(fā)。

3 圓周波形圖

振動時域波形圖一般在平面直角坐標系內(nèi)顯示，其中橫坐標表示時間長度，縱坐標表示幅值；圓周波形圖則在一個規(guī)定的時間周期將一個時域波形在圓周上顯示，如圖 6所示。它不同于軸心軌跡圖，軸心軌跡圖是利用安裝在軸承座上相互垂直的 2支位移傳感器，對軸頸的振動進行測量后得到的；而圓周波形圖通常顯示速度或加速度振動信號，只需通過 1支傳感器獲取的信號即可繪制。

圖6 某齒輪傳動軸承振動時域波形及圓周波形圖Fig.6 Time-domain waveform and circular oscillogram while bearing vibrating on gear transmission

圓周波形圖是以圓周顯示時域波形，直觀地呈現(xiàn)振動幅值、周期和發(fā)生振動的相對位置信息。由于PeakVue技術(shù)獲取的振動信號具有保持沖擊峰值的特點，結(jié)合圓周波形圖可挖掘齒輪、軸承等更全面的振動信號信息，分析出故障位置和損壞形式。

4 應(yīng)用案例

某選廠大型球磨機采用異步電動機+減速器+小齒輪軸組的雙邊驅(qū)動形式。減速器高速軸轉(zhuǎn)速約為750 r/min，低速軸轉(zhuǎn)速約為 148 r/min，單個減速器傳遞的額定功率為 7 800 kW。減速器軸承的布置形式如圖 7所示，軸承故障頻率如表 1所列。

圖7 減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置示意Fig.7 Layout sketch of gearbox inside

表1 減速器高速軸軸承故障特征頻率Tab.1 Fault feature frequency of high-speed bearing of gearbox Hz

對于轉(zhuǎn)速小于 900 r/min的設(shè)備，艾默生公司推薦的 PeakVue時域波形振幅報警值如圖 8所示[4]。該減速器高速軸轉(zhuǎn)速在 750 r/min時，對應(yīng)的內(nèi)圈滾道、外圈滾道和滾動體故障報警值如表 2所列。

圖8 PeakVue時域波形信號幅值推薦報警值Fig.8 Recommended alarming limit of PeakVue timedomain waveform amplitude

表2 軸承特征時域幅值的指導(dǎo)報警值Tab.2 Recommended alarming limit of bearing feature time-domain amplitude

在定期精密點檢過程中，對比 2017年 5月 14日與 2016年 12月 13日的高速軸非驅(qū)動端軸承 PeakVue信號水平方向頻域圖 (見圖 9)，發(fā)現(xiàn)存在周期性的振動特征。經(jīng)分析該周期性振動為軸承內(nèi)圈滾道故障頻率的 1倍、2倍、3倍和 4倍，其周邊存在高速軸轉(zhuǎn)速的邊頻帶，如圖 10所示。初步判斷為軸承內(nèi)圈滾道出現(xiàn)損壞。

圖9 高速軸軸承水平方向 PeakVue信號頻域圖對比Fig.9 Comparison of PeakVue signal spectrum in horizontal direction of HS bearing

圖10 2017年 5月 14日水平振動信號頻譜圖分析Fig.10 Spectrum analysis of horizontal vibration signal on 2017-05-14

分析 2017年 5月 14日該軸承的 PeakVue時域信號 (見圖 11) 可發(fā)現(xiàn)明顯的沖擊特征。對其進行自相關(guān)降噪后，發(fā)現(xiàn)高速軸每轉(zhuǎn)動一周，均出現(xiàn)若干不同強度的沖擊點，每個沖擊點的間隔時間為 0.008 98 s，對應(yīng)軸承內(nèi)圈滾道故障頻率 111.30 Hz，如圖 12所示。

圖12 自相關(guān)后的 PeakVue時域波形圖Fig.12 PeakVue time-domain waveform after autocorrelation

通過自相關(guān)技術(shù)處理后的 PeakVue時域波形在圓周波形圖內(nèi)顯示，如圖 13所示。圓周時間長度應(yīng)設(shè)置為軸承內(nèi)圈滾道故障頻率的整數(shù)倍且最接近內(nèi)圈轉(zhuǎn)動一周的時間。該軸承內(nèi)圈滾道故障特征頻率為內(nèi)圈轉(zhuǎn)動頻率的 8.89倍 (高速軸轉(zhuǎn)動一圈，軸承內(nèi)圈滾道某一固定點與約 8.89個滾子接觸)，因此圓周時間長度設(shè)置為 9×1/111.30 Hz=0.080 82 s，與軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動周期 1/12.5 Hz=0.08 s非常接近，可以近似認為軸承內(nèi)圈與滾子的振動發(fā)生在軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動周期內(nèi)。

圖13 軸承承載區(qū)示意與振動圓周波形圖對比Fig.13 Comparison between bearing load distribution zone and vibration circular oscillogram

圖13左側(cè)為軸承受力承載區(qū)域示意[6]，對比右側(cè)圓周波形圖可以發(fā)現(xiàn) 4個振動幅值高點均發(fā)生在承載區(qū)域內(nèi)，且可以推測內(nèi)圈滾道只有一處損壞；當(dāng)軸承內(nèi)圈滾道損壞處轉(zhuǎn)出非承載區(qū)域后，由于剩余 4.89次接觸產(chǎn)生的振動非常小，經(jīng)過自相關(guān)降噪處理后削弱，無法在圓周波形圖中明顯顯示。因此，圓周波形圖從另一個視角以更加形象和直觀的方式展現(xiàn)了故障振動的發(fā)生過程，便于準確判斷故障部位和損壞細節(jié)。

經(jīng)分析確定該軸承內(nèi)圈滾道表面有一處出現(xiàn)損壞，由于時域信號的幅值為 0.372g，遠小于指導(dǎo)報警值 2.55g，可推斷為輕微損壞。在檢查和確認潤滑系統(tǒng)工作正常后，定期監(jiān)測該處振動情況，如發(fā)現(xiàn)振動繼續(xù)惡化，則擇機更換損壞軸承。

表3記錄了跟蹤期間軸承水平方向振動 PeakVue信號、加速度和速度的幅值。發(fā)現(xiàn) 2017年 7月 12日PeakVue信號幅值為 0.77g，在 2017年 9月 22日增加至 2.15g，且即將達到 2.55g的報警值。為了避免發(fā)生非計劃停機，決定利用 2017年 10月維修窗口對該減速器軸承進行了更換。更換后，PeakVue信號幅值降低至 0.35g，且頻譜圖中原故障頻率及諧波均消失，如圖 14所示。

表3 軸承水平方向振動信號幅值跟蹤記錄Tab.3 Amplitude record of bearing vibrating signal in horizontal direction

圖14 故障軸承更換前后 PeakVue信號頻譜對比Fig.14 Comparison of PeakVue signal spectrum before and after replacement of faulty bearing

將拆除的軸承發(fā)往 SKF維護中心進行故障分析。磁粉探傷檢查發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)圈滾道表面有明顯的一道剝落痕跡 (見圖 15)，這與以上對軸承故障部位、損壞情況的分析及嚴重程度的推測結(jié)果非常一致。

圖15 內(nèi)圈滾道磁粉探傷結(jié)果及局部細節(jié)放大Fig.15 MPI results of inner race and local enlarged detail

另外，回顧整個跟蹤監(jiān)測期間的記錄，將表 3內(nèi)的數(shù)據(jù)繪制成趨勢圖，如圖 16所示。2017年 9月 22日 PeakVue信號幅值突然由 0.77g增加至 2.15g，增幅為 179%，但是加速度和速度值分別僅變化了 17%和 3%。同時，根據(jù) ISO 10816-3中振動烈度指導(dǎo)標準，良好狀態(tài)設(shè)備的速度有效值低于 2.8 mm/s，雖然此故障軸承的速度有效值均小于 1 mm/s，但實際情況卻是軸承已經(jīng)出現(xiàn)了故障。而且，在加速度和速度頻譜圖中也沒有顯示軸承內(nèi)圈故障信號。由此可見，常規(guī)方式采集的速度和加速度信號的幅值和頻譜均無法反映出軸承故障特征，也就意味著選廠中控室內(nèi)控制界面上的速度或加速度幅值無法對軸承故障起到預(yù)警作用。

圖16 軸承 PeakVue信號、加速度和速度信號幅值趨勢Fig.16 Tendency of bearing PeakVue signal,acceleration and velocity signal amplitude

5 結(jié)論

在對大型磨機減速器軸承故障診斷的實際應(yīng)用中，PeakVue信號可有效地分離軸承振動信息，并顯示軸承故障的嚴重程度，結(jié)合自相關(guān)技術(shù)可準確地判斷軸承故障的類型，最后以圓周波形圖推測具體損壞形式，了解故障產(chǎn)生振動的過程，并進一步精確判斷故障類型，評估軸承當(dāng)前狀態(tài)。

同時，通過實際數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，僅僅是速度和加速度信號的幅值無法對軸承故障提供預(yù)警。因此，定期使用 PeakVue技術(shù)對軸承振動數(shù)據(jù)進行采集，同時結(jié)合以上方法綜合分析判斷軸承狀態(tài)是非常重要和有必要的，這樣不僅能夠避免設(shè)備非計劃停機產(chǎn)生的經(jīng)濟損失，而且可以做到基于狀態(tài)的計劃性維護，降低設(shè)備維護成本。