SKF加速度包絡(luò)分析在冶金機(jī)械設(shè)備軸承故障診斷中的應(yīng)用

劉樹(shù)森

（中鋁潤(rùn)滑科技有限公司，北京 102206）

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是一種監(jiān)控設(shè)備在使用過(guò)程中的狀態(tài)的技術(shù)，確定各個(gè)部位是否正常運(yùn)行，能在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和成因，并能預(yù)測(cè)設(shè)備故障發(fā)展趨勢(shì)的檢測(cè)技術(shù)。本文通過(guò)應(yīng)用SKF設(shè)備某冶金企業(yè)實(shí)際工況條件下的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及根據(jù)采集信號(hào)，對(duì)冶金企業(yè)的設(shè)備進(jìn)行故障診斷，簡(jiǎn)單介紹一下SKF振動(dòng)分析及加速度包絡(luò)分析技術(shù)的應(yīng)用。

1 測(cè)量方法

振動(dòng)分析方法是基于0kHz～2kHz的較低頻率范圍，這類(lèi)分析方法通常用來(lái)監(jiān)測(cè)冶金機(jī)械設(shè)備不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)、共振問(wèn)題等故障問(wèn)題，在軸承嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)通過(guò)振動(dòng)分析也能監(jiān)測(cè)到。而SKF加速度包絡(luò)技術(shù)加強(qiáng)了高頻段瞬態(tài)畸變小信號(hào)的能量，將SKF加速度包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的頻譜分析技術(shù)相結(jié)合，能在軸承嚴(yán)重?fù)p壞之前能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)對(duì)軸承存在的早期缺陷和問(wèn)題進(jìn)行處理，從而可以延長(zhǎng)機(jī)器的故障預(yù)警期并防止計(jì)劃外停機(jī)的發(fā)生。加速度包絡(luò)分析，它是SKF一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，是一個(gè)非常實(shí)用的分析工具，優(yōu)于其它軸承故障檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于軸承的輕微故障都能提前清晰發(fā)現(xiàn)。

2 加速度包絡(luò)技術(shù)基本原理

加速度包絡(luò)技術(shù)用于從振動(dòng)信號(hào)中提取小的重復(fù)沖擊信號(hào)，這些信號(hào)在測(cè)量過(guò)程中往往被高能量、低頻率的信號(hào)所掩蓋。這些重復(fù)性沖擊信號(hào)通常是由軸承內(nèi)圈和外圈的缺陷或滾動(dòng)元件的缺陷引起的。但由于其振幅很低，常被儀器噪聲所掩蓋，而且由于其信噪比很低，這些頻率成分在衡器故障的早期往往無(wú)法檢測(cè)到。一個(gè)小的、窄的、重復(fù)的沖擊信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)換到頻域時(shí)，可以形成一系列的配頻。

脈沖振幅取決于脈沖寬度和脈沖之間的周期。兩者之間的關(guān)系越小，即脈沖的寬度越窄，頻譜的振幅越小。這種關(guān)系顯然與軸線缺陷有關(guān)。在故障階段開(kāi)始時(shí)，當(dāng)每個(gè)滾動(dòng)球滾過(guò)外環(huán)或內(nèi)環(huán)的缺陷時(shí)，由于故障的振幅低于儀器的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，所以加速度譜不能說(shuō)明故障頻率的存在。但是，加速度包絡(luò)技術(shù)通過(guò)對(duì)原振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行修正和處理，放大軸承誤差信號(hào)，解決了這一問(wèn)題。

3 技術(shù)原理分析

3.1 諧波、分頻分析

通過(guò)自動(dòng)定義基頻，得到其諧頻，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出最佳諧頻位置，使其諧波效果更易被觀察，這一功能經(jīng)常與缺陷頻率功能一起使用。

圖1 系統(tǒng)自動(dòng)算出的諧波圖

3.2 加速度包絡(luò)分析

加速度包絡(luò)技術(shù)，它主要是用來(lái)提取振動(dòng)動(dòng)態(tài)信號(hào)中的一些小振幅程度，重復(fù)振幅很小的重復(fù)撞擊信號(hào)。在測(cè)量過(guò)程中，軸承沖擊信號(hào)，原始振動(dòng)數(shù)據(jù)，它經(jīng)常被一些高能低頻信號(hào)所覆蓋，造成不平衡和失調(diào)的情況。這些在這里重復(fù)沖擊信號(hào)通常是由軸承或滾動(dòng)體內(nèi)部和外部滾道缺陷引起的缺陷。它顯示了從有軸承缺陷的機(jī)床上花費(fèi)的原始時(shí)間域信號(hào)，包含有小缺陷的沖擊信號(hào)。也顯示了與復(fù)雜同步信號(hào)隔離的軸承沖擊信號(hào)。經(jīng)過(guò)時(shí)頻轉(zhuǎn)換后，這些信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)基頻和雙頻由于振幅小，常常被儀器噪聲掩蓋。由于低信噪比，這些頻率分量往往在軸承故障早期丟失。我們可以看到，當(dāng)它被轉(zhuǎn)換成在頻域中，可以得到一系列的倍頻。

圖2 正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)的不同振幅值/頻率關(guān)系

我們還可以以對(duì)比的方式描述了正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)的不同振幅值/頻率關(guān)系。脈沖信號(hào)的幅度、脈寬和脈沖間隔周期有比值越小，即脈沖寬度和頻譜幅度越窄小一點(diǎn)的。而這個(gè)比例，顯然與軸承的缺陷有關(guān)。在過(guò)錯(cuò)處在開(kāi)始階段，當(dāng)每個(gè)軸承球滾動(dòng)到外部陶瓷或內(nèi)部的缺陷上時(shí)，由于振幅和寬度都很小，所以在這一階段加速度譜是由缺陷振幅引起的該值低于儀器的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，不能顯示缺陷頻率的存在。然而，加速度包絡(luò)技術(shù)通過(guò)修正和應(yīng)用，很好地解決了這一問(wèn)題，調(diào)整原振動(dòng)信號(hào)，加強(qiáng)滾軸缺陷信號(hào)。

3.3 FFT頻譜及時(shí)域波形分析

FFT頻譜可以將振動(dòng)信號(hào)以頻率函數(shù)方式顯示分析。頻率范圍從0Hz～10Hz到0kHz～40kHz，其分辨率可從100線～6，400線自主選擇。時(shí)域波形分析是一個(gè)專(zhuān)業(yè)用于波形處理分析出色工具，能辨別出普通FFT頻譜分析不能發(fā)現(xiàn)的特殊故障，還可進(jìn)行一系列的專(zhuān)業(yè)失量分析。

圖3 FFT頻譜及時(shí)域波形

4 技術(shù)的應(yīng)用

（1）具體舉例說(shuō)明振動(dòng)分析加速度包絡(luò)技術(shù)與普通速度譜比較在軸承監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用?？梢钥吹郊铀俣劝j(luò)分析優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)對(duì)象為加工中心電主軸，近兩年的運(yùn)作過(guò)程中，明顯聽(tīng)到了噪聲從主軸內(nèi)部發(fā)出，但主軸振動(dòng)明顯指示燈顯示機(jī)器的總速度在正常范圍內(nèi)。在這種情況下，使用SKF振動(dòng)分析儀來(lái)測(cè)量振動(dòng)，對(duì)床層的振動(dòng)進(jìn)行了分析。

我們通過(guò)速度頻譜網(wǎng)絡(luò)可以看出，主軸的總振動(dòng)值僅為0.5597mm/s，遠(yuǎn)低于電主軸振動(dòng)報(bào)警值2mrrds，在軸承中，很難觀察到缺陷頻率的比較，除峰值較小外，其余均未見(jiàn)明顯異常。所以如果你繼續(xù)很容易得出一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論：電主軸的狀態(tài)是正常的。如果對(duì)電主軸的加速度包絡(luò)譜進(jìn)行分析，可以得出結(jié)論相反的結(jié)果。從加速度包絡(luò)線可以看出，電主軸包絡(luò)線總數(shù)值高達(dá)18.23ge，大大超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警值8gE。在特征譜上可以清楚地看到缺陷倍頻和邊頻的存在。從這臺(tái)機(jī)器上聽(tīng)到的主軸損壞非常嚴(yán)重噪音一致。從以上分析可以看出，SKF加速度包絡(luò)技術(shù)在配重中的應(yīng)用監(jiān)測(cè)重復(fù)沖擊信號(hào)是非常有用的，對(duì)早期故障更為敏感，對(duì)故障的處理更加行之有效。

（2）再以20萬(wàn)t聚合釜3臺(tái)電機(jī)在齒輪箱所有現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)2號(hào)齒輪箱，手觸感振動(dòng)偏大，這一點(diǎn)也從數(shù)據(jù)上表現(xiàn)明顯，初步判斷二號(hào)電機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障，其余設(shè)備表現(xiàn)均在正常范圍內(nèi)。

表1 1、2、4、5號(hào)齒輪箱相關(guān)數(shù)據(jù)

（3）對(duì)于skf振動(dòng)分析技術(shù)的應(yīng)用還可以在“再制造”產(chǎn)業(yè)得到延伸。再制造是企業(yè)機(jī)械設(shè)備維修的升級(jí)版，通過(guò)再制造的產(chǎn)品質(zhì)量和性能與新產(chǎn)品幾乎相持不下，甚至有的再制造產(chǎn)品還在其新產(chǎn)品之上，而且再制造產(chǎn)品成本只占造新成本的1/4甚至1/3，所以再制造市場(chǎng)潛力巨大。

考慮制造產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)考慮其可行性。其中最需考量的是再制造對(duì)象的條件，考量再制造產(chǎn)品功能價(jià)值與再制造成本之間的關(guān)系，比如是耐用產(chǎn)品且功能失效、剩余附加值較高且獲得失效功能的費(fèi)用低于產(chǎn)品的殘余增值等。這就需要評(píng)判再制造產(chǎn)品的受損程度，進(jìn)而估計(jì)再制造成本。而skf振動(dòng)分析技術(shù)就能再這一環(huán)節(jié)起到關(guān)鍵作用。

（4）加速度包絡(luò)技術(shù)在摩擦方面的應(yīng)用.摩擦力是一個(gè)廣泛的領(lǐng)域存在于一系列低頻和高頻效應(yīng)中的頻段的刺激。特別是在開(kāi)始的時(shí)候輕微的連續(xù)或周期性的局部摩擦激發(fā)了傳感器或零點(diǎn)部分。元件的共振會(huì)使加速度譜高頻范圍內(nèi)的摩擦誤差信號(hào)放大。在加速包絡(luò)譜中會(huì)有一組振動(dòng)峰，會(huì)產(chǎn)生土能。功能越多，可以評(píng)價(jià)軸承潤(rùn)滑效果越好。如果是間歇性摩擦連續(xù)摩擦力發(fā)展后，軸承將以IFE為主。從共振調(diào)制該系統(tǒng)是為了檢測(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是否存在過(guò)早磨損而開(kāi)發(fā)的。只有摩擦力強(qiáng)，才能在低頻段顯示出來(lái)。

（5）加速度包絡(luò)值用于診斷軸承松動(dòng)沖擊。目前，一般的和浮動(dòng)的軸承。軸承下垂的影響與軸或軸承的高負(fù)荷有關(guān)。浮動(dòng)軸承的沖擊是由軸引起的軸承內(nèi)部或外部松動(dòng)，安裝空間過(guò)大，運(yùn)轉(zhuǎn)不受轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件影響。通過(guò)平衡力或其他振動(dòng)的激勵(lì)對(duì)軸承施加振動(dòng)沖擊。授權(quán)如果載荷范圍過(guò)大，在載荷范圍內(nèi)與滾道接觸的滾動(dòng)體數(shù)量減少，軸承的變形就會(huì)減小。

力集中。出料輥通過(guò)的弧度增大，對(duì)保持架和保持架槽產(chǎn)生了額外的負(fù)荷，出料區(qū)的輥?zhàn)幼饔糜跐L道中的輥?zhàn)?。?dāng)載荷小于軸承所需的最小載荷時(shí)，載荷減小，發(fā)生滑移。摩擦現(xiàn)象。這種情況會(huì)導(dǎo)致軸承加速磨損和發(fā)揮。 冶金機(jī)械設(shè)備電機(jī)軸承由于長(zhǎng)期運(yùn)行，軸承磨損，軸承游隙增大。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)加速包絡(luò)分析能更加準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)現(xiàn)冶金機(jī)械設(shè)備機(jī)械軸承的缺陷和故障，尤其是在其缺陷早期，結(jié)合頻譜進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確判斷出軸承的缺陷元件，進(jìn)行準(zhǔn)確維修，可以減少定期維修時(shí)的成本，避免了故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，導(dǎo)致故障惡化使得軸承失效，損害設(shè)備的情況發(fā)生。