利用包絡(luò)解調(diào)技術(shù)分析診斷滾動(dòng)軸承故障

賀天成，范云鵬，寧中赫

（包頭鋼鐵集團(tuán)公司長(zhǎng)材廠，內(nèi)蒙古包頭 014000）

1 概述

在線棒材齒輪箱的故障診斷中，軸承故障高達(dá)50%～60%，滾動(dòng)軸承的疲勞與剝落，會(huì)產(chǎn)生周期的脈沖沖擊力，出現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象。包絡(luò)解調(diào)技術(shù)是經(jīng)過(guò)包絡(luò)分析將淹沒在背景噪聲中的微弱信號(hào)提取出來(lái)，然后輸出一個(gè)消除了振動(dòng)信號(hào)干擾的信號(hào)。我司利用精密點(diǎn)檢手段診斷線棒材齒輪箱故障。振動(dòng)測(cè)試單元為100W 型，此振動(dòng)測(cè)試單元可以精確地采集振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制信息，包絡(luò)解調(diào)可以精準(zhǔn)地提取被背景噪聲淹沒的微弱的故障信號(hào)。

2 信號(hào)調(diào)制

調(diào)制就是一個(gè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）控制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（載波信號(hào)），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。

這里重點(diǎn)討論的是調(diào)幅：高頻載波信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)的幅值變化。如圖1。

如圖2所示，滾動(dòng)軸承載荷區(qū)在下部，軸承在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾動(dòng)體承受的載荷是變化的，旋轉(zhuǎn)到不同角度受力不同。

圖1 幅值調(diào)制信號(hào)

圖2 滾動(dòng)軸承徑向載荷分析圖

如果是滾動(dòng)軸承內(nèi)滾道缺陷，其特征頻率是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周滾動(dòng)體沖擊內(nèi)滾道缺陷的次數(shù)乘以轉(zhuǎn)頻。依據(jù)滾動(dòng)軸承故障頻率的經(jīng)驗(yàn)公式：轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，滾動(dòng)體經(jīng)過(guò)內(nèi)滾道缺陷次數(shù)大約為0.6倍單列的滾動(dòng)體數(shù)。內(nèi)滾道產(chǎn)生的振動(dòng)是沖擊，不是正弦波，其頻譜是內(nèi)滾道故障頻率及其諧波。內(nèi)滾道隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)內(nèi)滾道損傷部位與滾動(dòng)體發(fā)生沖擊接觸的位置不同，振動(dòng)的振幅會(huì)發(fā)生以轉(zhuǎn)頻為周期的變化，即發(fā)生振幅調(diào)制。內(nèi)滾道故障頻率就是載波頻率，轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率。如圖3 所示為在實(shí)際診斷中發(fā)現(xiàn)的軸承內(nèi)滾道缺陷的頻譜波形圖。

圖3 實(shí)際診斷中確定內(nèi)環(huán)缺陷的波形頻譜圖

3 包絡(luò)解調(diào)

包絡(luò)解調(diào)技術(shù)是故障診斷中很有效的方法，包絡(luò)解調(diào)技術(shù)主要是通過(guò)選取有用的共振頻率區(qū)，通過(guò)濾波、平移、變換，獲得包含故障頻率的低頻包絡(luò)信號(hào)。包絡(luò)解調(diào)的目的是解調(diào)高頻處與故障有關(guān)的調(diào)制信號(hào)。這里選取有用的共振頻率區(qū)，即確定包絡(luò)解調(diào)的帶通濾波范圍對(duì)診斷的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

要理解包絡(luò)解調(diào)，首先要真正理解幅值調(diào)制。

幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的幅值變化。因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致，那么如果能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線，就能將調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)。如圖4 所示：（a）軸承座上的隨機(jī)信號(hào)；（b）放大的故障沖擊；（c）放大的微弱脈沖信號(hào)，與故障沖擊強(qiáng)度成正比。我理解為軸承故障沖擊激勵(lì)起了軸承外圈的固有頻率即共振信號(hào)；（d）包絡(luò)檢波，低通濾波后的解調(diào)頻率；（e）調(diào)制波的頻域。

圖4 包絡(luò)解調(diào)處理

因此，在拾取齒輪箱中幅值小，寬度窄的軸承故障信號(hào)，包絡(luò)解調(diào)技術(shù)具有重要價(jià)值。

4 基于振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制與包絡(luò)解調(diào)技術(shù)在軸承故障診斷中的實(shí)際應(yīng)用

4.1 機(jī)組參數(shù)

包頭鋼鐵集團(tuán)長(zhǎng)材廠新高線區(qū)域精軋?jiān)鏊傧滢D(zhuǎn)速：1172 r/min；聯(lián)軸器為齒式聯(lián)軸器。3 軸浮動(dòng)端軸承為圓柱滾子軸承，型號(hào)：F0364037-804623。工況：軋制φ12、φ6.5 圓鋼。通過(guò)測(cè)量計(jì)算得到3 軸浮動(dòng)端圓柱滾子軸承的故障特征頻率分別為：內(nèi)圈特征頻率（BPFI）：677.9 Hz；外圈特征頻率（BPFO）：451.9 Hz；滾珠特征頻率(BSF)：203.4 Hz；保持架特征頻率（FIF）：20.5 Hz。由于測(cè)量計(jì)算的軸承特征頻率存在誤差，而且軸承滾動(dòng)體在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中也可能存在打滑現(xiàn)象，所以實(shí)際測(cè)得的軸承特征頻率與計(jì)算軸承特征頻率會(huì)出現(xiàn)偏差。

新高線精軋機(jī)組增速機(jī)測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。

圖5 新高線精軋機(jī)組增速機(jī)測(cè)點(diǎn)分布

4.2 故障分析

分析2018 年10 月19 日、12 月19 日軋制φ12 圓鋼、12 月20 日軋制φ6.5 圓鋼時(shí)，3 軸浮動(dòng)端軸承測(cè)點(diǎn)的包絡(luò)譜分別如圖6a、6b 所示，水平振動(dòng)加速度波形和頻譜圖如圖6c、6d、6e 所示，水平振動(dòng)加速度值趨勢(shì)如圖7a，包絡(luò)值趨勢(shì)如圖7b所示。

圖6a 10月19日,12月19日軋制Φ12圓3軸浮動(dòng)端包絡(luò)譜瀑布圖

圖6b 12月20日軋制Φ6.5圓3軸浮動(dòng)端包絡(luò)譜

圖6c 10月19日軋制Φ12圓3軸浮動(dòng)端水平加速度波形頻譜圖

圖6d 12月19日軋制Φ12圓3軸浮動(dòng)端水平加速度波形頻譜圖

圖6e 12月20日軋制Φ6.5圓3軸浮動(dòng)端水平加速度波形頻譜圖

圖7a 3軸浮動(dòng)端水平加速度值趨勢(shì)圖

圖7b 3軸浮動(dòng)端包絡(luò)值趨勢(shì)圖

圖譜分析：

如圖6a，兩日的包絡(luò)譜中都在軸承內(nèi)滑道特征頻率和3 軸轉(zhuǎn)頻處出現(xiàn)能量，12 月19 日軸承內(nèi)滑道特征頻率及轉(zhuǎn)頻處能量比10月19日能量高。

如圖6b，軸承內(nèi)滑道特征頻率兩側(cè)出現(xiàn)3 軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制的邊帶且邊帶能量較高。同時(shí)在3軸轉(zhuǎn)頻處出現(xiàn)能量，根據(jù)包絡(luò)解調(diào)原理3 軸轉(zhuǎn)頻正在高頻調(diào)制某一故障頻率。

如圖6c、6d，波形圖中都可以看見明顯的調(diào)制波形，頻譜圖中都在軸承內(nèi)滑道特征頻率的高次諧波兩側(cè)出現(xiàn)大量3軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制的邊帶。

如圖6e，波形圖中峰值大幅增長(zhǎng)，頻譜圖中軸承內(nèi)滑道特征頻率的高次諧波兩側(cè)邊帶能量增長(zhǎng)明顯。

查看趨勢(shì)圖7a、7b，對(duì)比10 月19 日，12 月19 日（軋制相同規(guī)格）加速度值增長(zhǎng)不明顯，包絡(luò)值增長(zhǎng)近1倍。

4.3 診斷結(jié)論

綜上分析，3 軸浮動(dòng)端圓柱滾子軸承內(nèi)滑道故障，故障處于軸承故障的第3 階段初期，不建議檢修。但需要密切觀察軸承劣化情況。

4.4 檢修確認(rèn)

12 月30 日產(chǎn)線大修，將增速機(jī)在線解體，3 軸浮動(dòng)端圓柱滾子軸承內(nèi)滑道點(diǎn)蝕。如圖8。

圖8 3軸浮動(dòng)端圓柱滾子軸承內(nèi)滑道點(diǎn)蝕

5 總結(jié)

包絡(luò)解調(diào)技術(shù)在對(duì)提取軸承原件沖擊信號(hào)的時(shí)域和頻域特征是有效的，它對(duì)軸承故障更為敏感。

在加速度譜中提取調(diào)制信息再結(jié)合包絡(luò)譜分析軸承故障，是提高軸承故障診斷準(zhǔn)確率的有效方法，特別是在現(xiàn)場(chǎng)需要維修決策時(shí)。

要對(duì)軸承故障部位及損壞程度做出精準(zhǔn)的判斷，選用的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)要有很好的降噪性，并能精確采集到振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制信息。特別是在軸承早期故障的診斷上要能準(zhǔn)確采集到振動(dòng)信號(hào)在3000～5000 Hz之間的調(diào)制信息。

需要積累大量軸承診斷經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)在振動(dòng)信號(hào)中提取調(diào)制信息再結(jié)合包絡(luò)解調(diào)技術(shù)針對(duì)軸承故障診斷的判別依據(jù)。