基于沖擊脈沖和EMD包絡(luò)譜的電動消防泵軸承監(jiān)測診斷研究

倪 圓，古成中，羅日榮，任富山

(91663部隊，山東 青島 266000)

電動消防泵作為船舶的重要裝備之一，其作用是為船舶提供消防滅火用水，同時還可為部分設(shè)備提供冷卻用水[1]。電動消防泵一般由電動機帶動離心式水泵組成，滾動軸承是其重要組成部分，同時也是易損部件。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)機械發(fā)生的故障中大約有30%是由滾動軸承導(dǎo)致的[2]，當(dāng)滾動軸承存在例如疲勞剝落、裂紋、磨損等缺陷或滾道落入異物時會產(chǎn)生沖擊，引起機體振動，因此可通過檢測沖擊脈沖的強弱來判斷軸承的狀態(tài)以及故障程度[3-4]。

另外，軸承故障產(chǎn)生的沖擊會激起設(shè)備的高頻固有振動，利用帶通濾波器(中心頻率近似等于共振頻率)對信號進行濾波，并對濾波后的信號進行包絡(luò)譜分析便能識別出軸承故障部位和嚴(yán)重程度。這種方法需要根據(jù)經(jīng)驗選擇合適的帶通濾波器，如何選擇正確的濾波頻帶是軸承故障診斷的關(guān)鍵。經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?EMD)是一種新的具有自適應(yīng)的信號處理方法，它可以根據(jù)軸承故障信號自適應(yīng)選擇濾波頻帶及分辨率，從而克服了傳統(tǒng)包絡(luò)分析中選擇濾波中心頻率和帶寬的難題[5]。

1 電動消防泵振動監(jiān)測方法

1.1 電動消防泵振動烈度監(jiān)測

目前，電動消防泵振動監(jiān)測和狀態(tài)評價通常參照GB/T 6075.3-2011《機械振動在非旋轉(zhuǎn)部件上測量評價機器的振動 第3部分：額定功率大于15 kW，額定轉(zhuǎn)速在120～15 000 r/min之間的在現(xiàn)場測量的工業(yè)機器》[6](以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)進行。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求，通常測量各測點的振動速度有效值，也稱振動烈度。測點選擇電機輸入端軸承、電機輸出端軸承以及泵端軸承處，分別測量垂、橫、軸3個方向的振動烈度。通過振動監(jiān)測能夠判斷電動消防泵的振動狀態(tài)。對于柔性安裝的大于15 kW小于300 kW的某電動消防泵，其振動狀態(tài)評價區(qū)域如表1所示。

表1 振動狀態(tài)評價區(qū)域

其中，區(qū)域A：新交付的機器振動通常落在該區(qū)域。區(qū)域B：機器振動處在該區(qū)域通常認(rèn)為可無限制長期運行。區(qū)域C：機器振動處在該區(qū)域一般不適宜作長時間連續(xù)運行，通常機器可在此狀態(tài)下運行有限時間，直到采取補救措施的合適時機為止。區(qū)域D：機器振動處在該區(qū)域通常認(rèn)為其振動烈度足以導(dǎo)致機器損壞。

1.2 電動消防泵軸承沖擊脈監(jiān)測

軸承故障產(chǎn)生的沖擊會激起設(shè)備的高頻固有振動，SPM根據(jù)軸承故障產(chǎn)生沖擊的幅值來診斷軸承故障，它是滾動軸承失效診斷的主要方法之一[4]。進行SPM監(jiān)測時，滾動軸承狀態(tài)通過絕對沖擊脈沖值(dBsv)、初始沖擊脈沖值(dBi)、標(biāo)準(zhǔn)沖擊脈沖值(dBn)、最大沖擊脈沖值(dBm)和地毯沖擊脈沖值(dBc)來表示。它們的關(guān)系為：

dBn=dBsv-dBi,

(1)

式中，dBi代表軸承的背景沖擊脈沖值，它與軸承內(nèi)徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)。通常使用標(biāo)準(zhǔn)化的dBm和dBc來判斷滾動軸承狀態(tài)。當(dāng)dBm≤20 dB，且dBc的值在5 dB～10 dB之間時，滾動軸承狀態(tài)良好；當(dāng)20 dB35 dB，dBm且和dBc之間的差值較大時，滾動軸承處于故障狀態(tài)。

2 EMD包絡(luò)譜分析方法

EMD分解是將信號分解為有限個頻率由高到低的不同固有模態(tài)分量(IMF)之和[7]，即：

(2)

式中，x(t)為原始信號；i為IMF分量的階數(shù)；ci(t)為第i階固有模態(tài)(IMF)分量，rn(t)為余項。

由于每個IMF分量代表了頻率由高到低不同頻率段的振動特征，因此EMD分解具有自適應(yīng)選頻濾波功能。通過對各階IMF分量進行包絡(luò)譜分析，便可得到軸承故障特征頻率。包絡(luò)譜分析首先進行希爾伯特(Hilbert)包絡(luò)解調(diào)，通過對IMF信號進行Hilbert變換，得到：

(3)

式中：ci(τ)為第i階固有模態(tài)(IMF)分量進行Hilbert變換時的積分量，τ代表積分分量。

隨后構(gòu)造解析信號z(t)：

z(t)=ci(t)+jH[ci(t)],

(4)

式中，j為虛數(shù)向量。

對解析信號z(t)求模，得到其包絡(luò)信號B(t)：

(5)

最終對包絡(luò)信號B(t)進行傅里葉變換便可得到信號的包絡(luò)譜。

3 電動消防泵軸承故障診斷

3.1 振動監(jiān)測

某電動消防泵在運行過程中出現(xiàn)振動噪聲異常，需對該異常進行故障診斷。本文首先采用德國普盧福公司生產(chǎn)的振動分析儀(VIBXPERT II)對電動消防泵進行振動烈度監(jiān)測，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，測點分別選擇電機自由端軸承、電機輸出端軸和泵端軸承處，每個測點測量3個方向的振動速度有效值，測量頻率帶寬為10～1 000 Hz，通過速度有效值來評定整機振動狀態(tài)。

由于電動消防泵運轉(zhuǎn)時存在明顯的異常噪聲，根據(jù)測試經(jīng)驗，該噪聲很有可能來自軸承。因此，本文同時采用瑞典SPM公司生產(chǎn)的軸承沖擊脈沖儀(T30)測量各軸承處的沖擊脈沖值，用于判斷軸承的狀態(tài)。消防泵振動監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 電動消防泵振動監(jiān)測結(jié)果

由監(jiān)測結(jié)果可知，電機自由端、電機輸出端軸承處振動速度有效值最大為3.24 mm/s，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，該振動值處于B區(qū)(可無限制長期運行區(qū)域)；泵輸入端軸承處的振動速度有效值最大為6.20 mm/s，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，該振動值已處于C區(qū)(不適宜長時間連續(xù)運行區(qū)域)。

通過軸承沖擊脈沖監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，電機自由端軸承dBm、dBc為24 dB、10 dB，處于良好狀態(tài)；電機輸出端軸承dBm、dBc為32 dB、19 dB，處于報警狀態(tài)；泵輸入端軸承dBm、dBc為48 dB、32 dB，處于故障狀態(tài)。

由以上分析可知，電動消防泵泵輸入端軸承可能存在故障，從而導(dǎo)致軸承沖擊脈沖值和振動烈度偏大。為此，采用VIBXPERT II采集泵輸入端軸承處的時域振動數(shù)據(jù)，進一步診斷軸承故障原因。

3.2 軸承故障特征頻率

滾動軸承主要由外圈、內(nèi)圈、滾動體和固定滾動體的保持架4部分組成。滾動軸承的故障特征頻率主要有外圈故障頻率fo、內(nèi)圈故障頻率fi、保持架故障頻率ft和滾動體故障頻率fb。故障頻率的計算公式分別如下[3]。

保持架故障頻率：

(6)

外圈故障頻率：

(7)

內(nèi)圈故障頻率：

(8)

滾動體故障頻率：

(9)

式中，Z為滾動體的數(shù)量；ni為內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度；d為滾動體直徑；D為節(jié)圓直徑；α為接觸角。

某型電動消防泵采用某公司的6311軸承，該軸承是深溝滾珠球軸承，內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度ni=2 975 r/min，滾動體直徑D=20.638 mm，滾動體個數(shù)Z=8，節(jié)圓直徑D=88.5 mm。經(jīng)過計算，該軸承保持架故障頻率ft=19 Hz，外圈故障頻率fo=152 Hz，內(nèi)圈故障頻率為fi=244.6 Hz，滾動體故障頻率fb=100.5 Hz。

3.3 軸承故障診斷分析

利用采集到的電動消防泵軸承振動數(shù)據(jù)，進行頻譜分析，得到泵軸承加速度頻譜如圖1所示。

圖1 泵軸承加速度頻譜

由圖1知，在1 404 Hz及其倍頻(2 807 Hz)處存在較大的峰值，并且在峰值附近存在明顯的調(diào)制邊頻帶，這與軸承故障沖擊引起的高頻共振現(xiàn)象吻合。固有模態(tài)分量階數(shù)越高，時間尺度越大，對應(yīng)的頻率越低。由于軸承沖擊引起的結(jié)構(gòu)共振一般發(fā)生在高頻段，因此僅對該軸承振動數(shù)據(jù)進行前4階EMD分解，得到泵軸承前4階固有模態(tài)(IMF)分量如圖2所示。

圖2 泵軸承前4階固有模態(tài)(IMF)分量

對前4階IMF分量進行Hilbert解調(diào)分析，得到IMF分量包絡(luò)譜如圖3所示。

圖3 泵軸承固有模態(tài)分量包絡(luò)譜

由圖3可知，IMF1分量包絡(luò)譜中152 Hz及304 Hz(倍頻)處的頻率分量明顯，IMF3和IMF4分量包絡(luò)譜中100 Hz處頻率分量明顯。對照軸承故障特征頻率可知，軸承外圈以及滾動體可能存在損傷。

該船進廠后對故障電動消防泵進行了拆檢。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，泵端軸承外圈損傷，并且滾動體出現(xiàn)輕微磨損。經(jīng)更換故障軸承轉(zhuǎn)子后，電動消防泵恢復(fù)正常運行，振動和噪聲大大降低。

4 結(jié)束語

振動烈度和軸承沖擊脈沖監(jiān)測，可以有效判斷電動消防泵以及軸承振動狀態(tài)，初步定位故障部位，EMD包絡(luò)譜分析相對于傳統(tǒng)帶通濾波的包絡(luò)解調(diào)分析方法，具有自適應(yīng)的特點，能快速準(zhǔn)確診斷電動消防泵軸承外圈及滾動體故障。