PeakVue Plus 技術(shù)在滾動(dòng)軸承故障診斷中的應(yīng)用

鮑爾斯·斯圖爾特

（艾默生過(guò)程控制有限公司，上海 201206）

0 引言

作為檢測(cè)滾動(dòng)軸承和輪齒故障的主要方法，PeakVue（Peak－Value，峰值分析）技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用20 多年。雖然這項(xiàng)技術(shù)為預(yù)測(cè)機(jī)器故障提供了一個(gè)領(lǐng)先的指標(biāo)，但它仍然需要一個(gè)熟練的分析師來(lái)確定故障根本原因。PeakVue Plus 是PeakVue 的一個(gè)專利擴(kuò)展，它的開(kāi)發(fā)目的是使這種分析自動(dòng)化并表現(xiàn)用戶友好的使用結(jié)果。為了展示PeakVue Plus 的性能，首先從分析人員使用PeakVue 檢測(cè)軸承故障的角度介紹，然后使用PeakVue Plus 分析同一軸承的不可見(jiàn)細(xì)節(jié)，展示出來(lái)進(jìn)行比較。

1 PeakVue 技術(shù)

PeakVue 數(shù)據(jù)確定故障需要對(duì)PeakVue 波形進(jìn)行分析，以指示嚴(yán)重性，同時(shí)進(jìn)行頻譜和自相關(guān)分析，以分離周期性和非周期性數(shù)據(jù)。相對(duì)于非周期性數(shù)據(jù)，周期性數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型表示潛在故障的性質(zhì)。

為了說(shuō)明PeakVue 的診斷能力，針對(duì)這樣一種情況，即每月的路徑數(shù)據(jù)表明一個(gè)潛在的滾動(dòng)軸承缺陷，以及日歷輥驅(qū)動(dòng)側(cè)的相關(guān)潤(rùn)滑問(wèn)題。以下的即時(shí)計(jì)算是基于用戶的可用數(shù)據(jù)，由分析人員確定故障類型和估計(jì)的嚴(yán)重性。

分析師預(yù)測(cè)軸承故障類型和嚴(yán)重性的步驟如下：

1.1 確定PeakVue 波形中的最大峰值（MaxPk）

圖1 中PeakVue 波形顯示了8.337 g 的最大峰值，而日歷輥滾動(dòng)軸承的故障報(bào)警線為7.767 g。PeakVue 波形中的最大峰值與故障極限的相對(duì)接近程度表明存在軸承問(wèn)題。

圖1 一個(gè)日歷輥側(cè)的PeakVue 波形

1.2 對(duì)PeakVue 波形進(jìn)行自相關(guān)

查看相關(guān)頻譜和自相關(guān)波形，將提供有關(guān)故障類型的信息。圖2 中的相關(guān)頻譜表明存在外圈故障。使用PeakVue 波形的最大峰值和自相關(guān)波形（圖3）預(yù)測(cè)的周期性百分比估計(jì)值來(lái)確定評(píng)估故障的嚴(yán)重性。自相關(guān)波形由PeakVue 波形導(dǎo)出。

圖2 PeakVue 頻譜

圖3 PeakVue 自相關(guān)波形

1.3 確定評(píng)估故障的嚴(yán)重性

如果計(jì)算的周期能量百分比（Est%PE）≥50%，機(jī)械軸承嚴(yán)重性=（Est%PE）×（MaxPk）/（故障極限值），軸承潤(rùn)滑嚴(yán)重性=（100-Est%PE）×（MaxPk）/（故障極限值）；如果計(jì)算的周期能量百分（Est%PE）＜50%，軸承潤(rùn)滑嚴(yán)重程度=（MaxPk）/（故障極限值）。

自相關(guān)波形中的最大峰值可以評(píng)估PeakVue 頻譜中有多少能量是由于機(jī)械故障（本例中為BPFO）引起的。使用公式1，PeakVue 波形中導(dǎo)致機(jī)械問(wèn)題的能量百分比為57.62%（×100%）。將峰值波形的最大峰值（8.337 g’s）乘以能量百分比值（0.5762），得出（4.804 g’s）機(jī)械故障中軸承健康的代表性評(píng)估。該機(jī)械故障（4.804 g’s）與故障極限（7.767 8）的比率提供了相對(duì)于故障值的機(jī)械問(wèn)題嚴(yán)重性的評(píng)估。該示例的結(jié)果嚴(yán)重性為61.8%（（4.804/7.767 8）×100%）。

幾乎每次出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)都會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑問(wèn)題。潤(rùn)滑在自相關(guān)波形中表示為非周期能量。由自相關(guān)波形估計(jì)的非周期能量為42.38%（100-57.62）。因此，估計(jì)潤(rùn)滑嚴(yán)重程度為故障水平的45.5%（0.4238×8.337/7.767 8）×100%）。注意，從自相關(guān)來(lái)看，估計(jì)的周期能量和非周期能量之間的關(guān)系約為1∶1，下降到50%、低于50%的周期能量是不可預(yù)測(cè)的，評(píng)估的非周期能量相對(duì)于最大值的平方根是分段線性的。

1.4 小結(jié)

PeakVue 技術(shù)是一種成熟可靠的方法，用于檢測(cè)和確定滾動(dòng)軸承和齒輪故障的嚴(yán)重程度。然而，它需要一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的分析師來(lái)有效地理解和使用這項(xiàng)技術(shù)。艾默生通過(guò)多項(xiàng)PeakVue Plus 專利不斷改進(jìn)PeakVue 技術(shù)，這些專利包含了PeakVue 技術(shù)中所有必要的分析步驟，以提供有關(guān)滾動(dòng)軸承和齒輪健康的簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)。

2 PeakVue Plus 技術(shù)

PeakVue Plus 是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，包括使用周期性分析來(lái)改進(jìn)和/或簡(jiǎn)化PeakVue 測(cè)量的分析。PeakVue Plus 計(jì)算周期性，以區(qū)分周期性機(jī)械事件（如軸承和齒輪箱故障）和隨機(jī)非周期性事件（如潤(rùn)滑問(wèn)題）。PeakVue Plus 結(jié)合了PeakVue 周期性數(shù)據(jù)以及已知軸轉(zhuǎn)速的評(píng)估，以得出機(jī)器問(wèn)題的性質(zhì)和嚴(yán)重性。在其最基本的形式中，它區(qū)分了機(jī)械誘導(dǎo)沖擊（如軸承/齒輪）和隨機(jī)沖擊（如潤(rùn)滑）對(duì)機(jī)器的影響。

通過(guò)結(jié)合PeakVue 波形的最大峰值振幅、由相應(yīng)PeakVue波形的自相關(guān)得出的周期性和轉(zhuǎn)速的結(jié)果，可以預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承的狀況。這些參數(shù)的組合結(jié)果可以指示軸承故障的嚴(yán)重程度和/或可能存在的潤(rùn)滑問(wèn)題。以類似的方式，可以確定齒輪箱中齒輪的狀況以及齒輪箱中滾動(dòng)軸承的健康狀況。齒輪箱內(nèi)部故障的檢測(cè)不在本文中討論。

PeakVue Plus 以易于理解的形式顯示分析結(jié)果。這種形式提供了診斷儀表盤(pán)：一個(gè)指示存在的維護(hù)/軸承故障和其嚴(yán)重程度，另一個(gè)指示存在的潤(rùn)滑問(wèn)題和其嚴(yán)重程度。儀表只是方便傳達(dá)軸承/齒輪箱狀況的一種方法，還有許多其他方式來(lái)顯示軸承/齒輪箱狀況，例如試管、紅黃綠燈顯示等。

為了理解PeakVue Plus 診斷滾動(dòng)軸承狀況的過(guò)程，下面討論使用PeakVue Plus 診斷軸承故障所需的步驟。為了幫助理解PeakVue Plus 過(guò)程中涉及的計(jì)算，將對(duì)前文示例中的日歷輥操作側(cè)軸承進(jìn)行評(píng)估。日歷輥的典型轉(zhuǎn)速介于255 r/min 和290 r/min之間。需要注意的是，獲取數(shù)據(jù)時(shí)輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速必須恒定。本例中評(píng)估的軸承存在外圈（BPFO）故障。

PeakVue Plus 將僅評(píng)估具有足夠分辨率和合適Fmax的數(shù)據(jù)。為了獲得分辨率，需要至少采集30 個(gè)轉(zhuǎn)速周期來(lái)評(píng)估所有軸承頻率。因此，實(shí)現(xiàn)30 個(gè)轉(zhuǎn)速周期所需的獲取時(shí)間（t）為30/（旋轉(zhuǎn)速度（RPS））或1800/（旋轉(zhuǎn)速度（RPM））。PeakVue Plus 分析的Fmax要求是：Fmax≥30.5 ×（運(yùn)行速度）。

PeakVue Plus 需要得到可靠的速度。當(dāng)轉(zhuǎn)速表不可用時(shí)，用戶必須輸入準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速或同時(shí)采集PeakVue 數(shù)據(jù)的速度頻譜。當(dāng)精確轉(zhuǎn)速未知時(shí)，對(duì)速度頻譜采用轉(zhuǎn)速算法確定精確轉(zhuǎn)速。該算法依賴于用戶提供的銘牌速度，如果銘牌轉(zhuǎn)速確保是合理的，就可以從速度頻譜中尋找轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速結(jié)果用于PeakVue Plus 的計(jì)算。在AMS 無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)器中，轉(zhuǎn)速由與PeakVue 波形/頻譜同時(shí)獲得的速度頻譜確定。

軸承故障狀態(tài)判斷步驟如下：

2.1 獲取PeakVue（原始）波形數(shù)據(jù)

本例的PeakVue 波形如圖1 所示。此測(cè)量的設(shè)置為Fmax=200 Hz（1600 線），PeakVue 高通濾波器設(shè)置為500 Hz。圖2 顯示了從該波形導(dǎo)出的PeakVue 頻譜，以供參考。

2.2 確定波形的最大峰值振幅（MaxPk）

對(duì)于圖1 所示的波形，MaxPk=8.337 g’s。

2.3 計(jì)算對(duì)應(yīng)的自相關(guān)波形。

圖3 顯示了從圖1 波形導(dǎo)出的自相關(guān)波形。執(zhí)行自相關(guān)過(guò)程產(chǎn)生周期性信號(hào)的波形，理論上不存在噪聲或任何非周期性信號(hào)。

2.4 周期能量百分比

周期能量百分比定義為PeakVue（原始）頻譜中與周期信號(hào)相關(guān)的能量百分比。周期能量百分比可根據(jù)自相關(guān)波形估算為：

此估計(jì)值適用于50%以上的值，在50%以下，最大峰值和周期性之間的關(guān)系是分段的。在30%～50%之間，估計(jì)的周期能量百分比等于式（1）除以2。如果式（1）的值低于30% 的結(jié)果，估計(jì)的周期能量百分比為零。即如果30% ≤周期性能量百分比≤50%，則：

如果周期性能量百分比（式1）<30%，則：周期性能量百分比=0。

圖3 中，后97%的自相關(guān)波形最大峰值振幅為0.343，因此，周期性能量百分比為57.6%。

2.5 PeakVue 故障振幅報(bào)警級(jí)別

PeakVue 故障振幅報(bào)警級(jí)別通過(guò)推薦的PeakVue 報(bào)警級(jí)別或根據(jù)用戶的經(jīng)驗(yàn)輸入確定。

2.6 嚴(yán)重程度確定

（1）計(jì)算式:

（2）將式（3）結(jié)果乘以所需的最大量度量值“x”進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，則：

常數(shù)值0.8 在NGS 方程中相乘，因此故障值為量規(guī)滿刻度的80%，例如，如果x=100，則NGS=一般嚴(yán)重性×0.8×100。

操作側(cè)日歷輥軸承計(jì)算一般嚴(yán)重度（式3）：一般嚴(yán)重性=8.337 g’s/ 7.767 g’s=1.0733，則標(biāo)準(zhǔn)化一般嚴(yán)重性（式4）NGS=1.733×0.8×100=85.86。

2.7 嚴(yán)重程度的計(jì)算

如果評(píng)估的周期能量百分比大于50%，則可能存在軸承故障。軸承故障嚴(yán)重程度的計(jì)算如下：

在自相關(guān)波形上使用一種專利算法進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），并將該周期性頻譜與PeakVue 頻譜相關(guān)聯(lián)以產(chǎn)生一組周期峰值。真實(shí)周期能量百分比的計(jì)算為周期峰的總能量與PeakVue 譜的總能量之比，這個(gè)“真實(shí)”的周期能量百分比較周期性參數(shù)能量百分比更準(zhǔn)確，可以更好地估計(jì)軸承的健康狀況。

當(dāng)轉(zhuǎn)速已知時(shí)（使用轉(zhuǎn)速計(jì)或轉(zhuǎn)速檢測(cè)算法），周期性峰值可分為同步和非同步。同步周期峰值是與運(yùn)行轉(zhuǎn)速和運(yùn)行轉(zhuǎn)速諧波相關(guān)的峰值。對(duì)于齒輪箱，將有一組與每個(gè)軸轉(zhuǎn)速相關(guān)的同步周期峰值。所有與運(yùn)行轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的周期性峰值都是非同步周期性峰值。

如果存在非同步周期性峰值，則懷疑可能存在軸承問(wèn)題。

如果出現(xiàn)同步周期性峰值，同步能量百分比大于PeakVue頻譜總能量的10%，并且測(cè)量不在齒輪箱上，則懷疑存在內(nèi)圈故障（BPFI），BFS 計(jì)算如下：

圖4 顯示了周期性同步和周期性非同步峰值。其中，深色峰值均為周期性同步峰值，淺色峰值為周期性非同步峰值。

圖4 與PeakVue 頻譜相關(guān)的周期圖

由于周期性同步峰值的能量小于PeakVue 頻譜總能量的10%，因此僅使用周期性非同步峰值能量來(lái)計(jì)算機(jī)械軸承的嚴(yán)重性。本例中周期非同步峰的能量為0.525 9 g’s。PeakVue 頻譜的總能量為0.775 9 g’s。將這些值輸入式5，得出該軸承故障的嚴(yán)重程度：軸承故障嚴(yán)重程度=8.337/7.767×[（0.525 9）2/（0.775 9）2]×100%=49.3%。

PeakVue Plus 中估計(jì)的軸承故障嚴(yán)重度為故障等級(jí)的49.3%。這與PeakVue 分析師的估計(jì)（61.8%）略有不同。軸承故障嚴(yán)重性估計(jì)值的差異是由于PeakVue Plus 計(jì)算實(shí)際的周期性百分比，而使用PeakVue 的分析師依賴于周期性百分比估計(jì)值。盡管這些嚴(yán)重性估計(jì)值有所不同，但這兩種過(guò)程都能在軸承故障的早期至中度階段提供軸承故障的指示。

PeakVue Plus 中使用了量規(guī)，以提供標(biāo)準(zhǔn)化的軸承故障嚴(yán)重性。故障級(jí)別始終為滿量程的80%。因此，通過(guò)在式6 中輸入適當(dāng)?shù)闹担傻贸鲈撦S承故障的嚴(yán)重程度，范圍為1～100（該范圍內(nèi)，故障等級(jí)等于80）度量軸承嚴(yán)重性=85.86×[（0.5259）2/（0.7759）2]×100%=39.4%。

圖5 為一個(gè)量規(guī)示例，顯示了該日歷輥滾動(dòng)軸承的缺陷嚴(yán)重程度。

圖5 日歷輥操作側(cè)軸承嚴(yán)重程度的機(jī)械和潤(rùn)滑量規(guī)指示

2.8 潤(rùn)滑嚴(yán)重程度

當(dāng)周期能量百分比≤50%和MaxPk>報(bào)警限值，表示僅與潤(rùn)滑有關(guān)的軸承狀況。也可能存在軸承潤(rùn)滑不足的情況。因此，潤(rùn)滑嚴(yán)重程度也可以計(jì)算存在機(jī)械故障的軸承。

潤(rùn)滑問(wèn)題的嚴(yán)重性取決于原始波形的MaxPk 值和相關(guān)自相關(guān)波形指示的噪聲百分比（也稱為非周期能量百分比）。

（1）非周期能量百分比（%NPE）定義為PeakVue（原始）頻譜中與對(duì)應(yīng)的隨機(jī)振動(dòng)（信號(hào)）的能量百分比。

非周期能量百分比通過(guò)從PeakVue 頻譜中的能量減去相應(yīng)的周期能量計(jì)算（式11）。

（2）潤(rùn)滑嚴(yán)重性定義為:

相對(duì)于潤(rùn)滑故障的儀表顯示，

本例中軸承的非周期能量百分比為50.85%。因此，式（12）中計(jì)算的潤(rùn)滑嚴(yán)重度為54.6，而0～100 內(nèi)的量規(guī)式（13）的潤(rùn)滑嚴(yán)重度為43.7。

圖5 為軸承潤(rùn)滑缺陷嚴(yán)重程度的量規(guī)示例。需要注意，手動(dòng)計(jì)算用戶的故障級(jí)別相關(guān)的潤(rùn)滑嚴(yán)重性為45.5%，而PeakVue Plus 估計(jì)為54.6%。同樣，估計(jì)值中的微小差異是因?yàn)橛脩艋趶淖韵嚓P(guān)波形計(jì)算出的周期性百分比的估計(jì)值來(lái)導(dǎo)出周期性，繼而得出非周期性。PeakVue Plus 技術(shù)采用更嚴(yán)格的專利運(yùn)算，產(chǎn)生更精確的非周期能量值，從而得到潤(rùn)滑的嚴(yán)重性。

2.9 小結(jié)

根據(jù)PeakVue Plus 評(píng)估，懷疑下側(cè)日歷輥的操作側(cè)存在軸承缺陷?？蛻粜枰S承再使用兩周，然后計(jì)劃停機(jī)。其間每天進(jìn)行PeakVue 測(cè)量，必要時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，堅(jiān)持兩周時(shí)間。圖6 顯示了該軸承的外圈缺陷及程度。圖5 中的軸承缺陷量規(guī)表明軸承缺陷處于早期至中度階段，如圖6 所示，軸承磨損得到了證實(shí)。

圖6 下側(cè)日歷輥操作側(cè)軸承外圈缺陷

3 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，PeakVue 技術(shù)一直是一種非常可靠的方法，可以在任何劣化階段檢測(cè)滾動(dòng)軸承故障。PeakVue Plus通過(guò)尋找周期性成分來(lái)自動(dòng)預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承的機(jī)械和潤(rùn)滑故障，從而進(jìn)一步升級(jí)了該技術(shù)。該技術(shù)顯示了安裝在日歷輥操作側(cè)的軸承狀況所需的步驟。PeakVue Plus 采用PeakVue 波形并完成所有繁瑣的計(jì)算，以提供與滾動(dòng)軸承相關(guān)的機(jī)械和潤(rùn)滑問(wèn)題的簡(jiǎn)明嚴(yán)重性判斷。

用于滾動(dòng)軸承分析的PeakVue Plus 技術(shù)已融入艾默生的許多預(yù)測(cè)性維護(hù)軟件和硬件產(chǎn)品中。軸承分析的PeakVue Plus技術(shù)最初是在AMS2140 分析專家中的應(yīng)用程序，這是AMS 無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)器的一個(gè)突出特點(diǎn)。它在AMS Machinery Manager軟件和Machine Works 軟件中都可以作為PeakVue 波形分析的輔助工具，同時(shí)包含在AMS Asset Monitor 的基于規(guī)則的分析中。