旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)研究

劉思橋，左學(xué)謙

（武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430064）

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的機(jī)械設(shè)備，其種類繁多，在發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、離心式壓縮機(jī)、水泵、通風(fēng)機(jī)及電機(jī)等設(shè)備中均有應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要功能由旋轉(zhuǎn)動(dòng)作完成，轉(zhuǎn)子是其中最主要的部件[1]。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障是指機(jī)械的功能失常，即動(dòng)態(tài)性能惡化，不符合技術(shù)要求[2]，例如機(jī)械運(yùn)行失穩(wěn)、異常振動(dòng)、噪聲，機(jī)械工作轉(zhuǎn)速、輸出功率以及介質(zhì)溫度、壓力、流量的異常變化等。

機(jī)械故障的類型和原因不同，反映出的信息也不同。根據(jù)機(jī)械故障反映出的特征信息，可以對機(jī)械故障進(jìn)行診斷[3]。滾動(dòng)軸承多應(yīng)用在中小型旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，用于連接轉(zhuǎn)動(dòng)與靜止部件，支撐軸系等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，并承受設(shè)備的負(fù)載。本文針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中容易發(fā)生故障的滾動(dòng)軸承進(jìn)行狀態(tài)診斷，其中重要的特征信號是機(jī)械的異常振動(dòng)。振動(dòng)信號的幅值域、頻率域和時(shí)間域能實(shí)時(shí)地反映出設(shè)備故障信息[4]，故采用振動(dòng)分析法較為簡單靈活，可靠性較高。

1 振動(dòng)故障診斷流程

隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程中設(shè)備的數(shù)量不斷增多，工作強(qiáng)度不斷增大，生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度也越來越高。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，往往會因?yàn)槠渚哂休^高的精度和機(jī)械復(fù)雜程度，以及在維修時(shí)受到配件、人員、技術(shù)條件等多方面限制，使拆卸工作時(shí)有所顧忌，導(dǎo)致難以迅速確定故障源，不能及時(shí)、精準(zhǔn)地修復(fù)進(jìn)行[5]。但是故障如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，不僅會影響生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備及相關(guān)環(huán)境的破壞。振動(dòng)信號普遍存在于運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部發(fā)生異常時(shí)，一般都會通過振動(dòng)和工作性能的變化的形式反映出來。

故障是指機(jī)械設(shè)備喪失其原來所規(guī)定的性能或狀態(tài)。通常把設(shè)備在運(yùn)行中所發(fā)生的狀態(tài)異常、缺陷、性能惡化以及事故前期的狀態(tài)都統(tǒng)稱為故障，有時(shí)也把事故直接歸為故障[6]。

故障診斷則是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行參數(shù)、歷史狀況，對可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析、預(yù)報(bào)，對已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進(jìn)行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、部位及趨勢，對維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行和合理檢修提供正確的技術(shù)支持[7]。振動(dòng)故障診斷流程如圖1 所示。

圖1 振動(dòng)故障診斷流程

2 滾動(dòng)軸承故障分析

2.1 基本結(jié)構(gòu)

滾動(dòng)軸承是將運(yùn)轉(zhuǎn)的軸與軸承座之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密機(jī)械元件，一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。內(nèi)圈的作用是與軸相配合，并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動(dòng)體借助保持架均勻地分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀、大小和數(shù)量直接影響著滾動(dòng)軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動(dòng)體均勻分布，引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)，并起潤滑作用[8-9]。滾動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 滾動(dòng)軸承基本結(jié)構(gòu)

2.2 滾動(dòng)軸承故障特征頻率

滾動(dòng)軸承故障一般在發(fā)展到滾動(dòng)體和保持架出現(xiàn)故障之前，首先出現(xiàn)的是內(nèi)圈或外圈故障頻率。滾動(dòng)軸承故障的特征頻率就是軸承故障產(chǎn)生時(shí)的振動(dòng)頻率[10]。滾動(dòng)軸承故障特征頻率如圖3 所示，其中：

圖3 滾動(dòng)軸承故障特征頻率

（1）外圈故障頻率BPFO 是1 s 外圈上某一損傷點(diǎn)與滾動(dòng)體接觸的次數(shù)[11]，計(jì)算公式為：

（2）內(nèi)圈故障頻率BPFI 是1 s 內(nèi)圈上某一損傷點(diǎn)與滾動(dòng)體接觸的次數(shù)，計(jì)算公式為：

（3）滾動(dòng)體故障頻率BSF 是1 s 滾動(dòng)體上某一損傷點(diǎn)與內(nèi)圈或外圈接觸的次數(shù)，計(jì)算公式為：

（4）保持架故障頻率FTFO 是1 s 保持架上某一損傷點(diǎn)相對于外圈旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)[12]，計(jì)算公式為：

式中，n 為滾動(dòng)體數(shù)量；N 為軸的轉(zhuǎn)速。

綜上分析可知：①外圈特征頻率是保持架特征頻率的整數(shù)倍；②內(nèi)圈+外圈=轉(zhuǎn)頻整數(shù)倍。

2.3 常見故障部位

滾動(dòng)軸承是運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備中最重要的部件，其狀態(tài)是否良好直接影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率[13]。滾動(dòng)軸承的常見故障包括：內(nèi)滾道故障、外滾道故障、滾動(dòng)體故障、保持架碰外環(huán)故障和保持架碰內(nèi)環(huán)故障[14]。故障部位信號特征為：

（1）外圈故障的信號特征：時(shí)域波形中存在明顯的周期性較均勻沖擊[15-16]，沖擊間隔頻率為外圈故障特征頻率，幅值無調(diào)制現(xiàn)象，基本上處于同一水平；頻譜中存在外圈故障特征頻率及其諧頻，無邊帶現(xiàn)象。

（2）內(nèi)圈故障的信號特征：時(shí)域波形中存在規(guī)律性的小間隔沖擊，大間隔的周期性調(diào)制；頻譜中存在內(nèi)圈故障特征頻率及其諧頻，并伴有轉(zhuǎn)頻邊帶或者保持架邊帶。

（3）滾動(dòng)體故障的信號特征：時(shí)域波形中滾動(dòng)體故障與內(nèi)圈故障類似，會出現(xiàn)保持架特征頻率的調(diào)制現(xiàn)象，但是調(diào)制信號的頻率不同；頻譜/包絡(luò)譜中存在滾動(dòng)體故障特征頻率及其諧頻，并伴有保持架邊帶。

（4）保持架故障的信號特征：時(shí)域波形中存在周期性沖擊，沖擊間隔頻率為保持架故障特征頻率；頻譜/包絡(luò)譜中存在保持架故障特征頻率及其諧頻，無其他故障現(xiàn)象。

當(dāng)頻譜中的故障特征頻率被淹沒時(shí)，通過包絡(luò)解調(diào)可清晰地發(fā)現(xiàn)保持架、滾動(dòng)體特征。

3 實(shí)例分析

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號是其綜合性能的直接反映，據(jù)統(tǒng)計(jì)70%以上的故障都是以振動(dòng)形式表現(xiàn)出來的[17]。因此，通過振動(dòng)監(jiān)測可以及時(shí)了解該設(shè)備的健康狀態(tài)，即根據(jù)時(shí)域和頻域分析相結(jié)合的方法，對滾動(dòng)軸承進(jìn)行進(jìn)一步地診斷，確定其潛在的故障位置、故障嚴(yán)重程度及原因，進(jìn)而提前制定出合理的檢修方案，避免因設(shè)備突然失效所造成的損失。本文以石油工業(yè)中由減三及二中泵組成的P1113A 雙支撐穩(wěn)態(tài)機(jī)組為例進(jìn)行分析，其型號為250AYST-150x2C，功率為207 kW。該機(jī)組主要由電機(jī)、聯(lián)軸器以及減三及二中泵三部分組成。

3.1 振動(dòng)監(jiān)測

減三及二中泵的振動(dòng)監(jiān)測采用加速度傳感器，其型號為RH505，振動(dòng)量程為±50 g；采樣頻率為1280 Hz～51.2 kHz；頻率響應(yīng)為±3 dB；線性度為1%，此傳感器具有極寬的頻帶和很大的動(dòng)態(tài)變化范圍，靈敏度較高[18-19]。

將電機(jī)與泵組成的結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，其中某個(gè)部件的異常將會引起其他部件的振動(dòng)波動(dòng)，并且對于產(chǎn)生的不對中、聯(lián)軸器等故障，需要結(jié)合電機(jī)2H 測點(diǎn)振動(dòng)進(jìn)行判斷。因此，該機(jī)組的測點(diǎn)布置主要分為電機(jī)端和泵端（表1），現(xiàn)場測點(diǎn)安裝位置如圖4 所示。

表1 現(xiàn)場測點(diǎn)布置情況

圖4 現(xiàn)場測點(diǎn)安裝圖

圖4 中，振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)大部分在機(jī)身表面上選取，傳感器采用膠粘方式安裝，安裝面需光滑平整[18]。

3.2 振動(dòng)狀態(tài)分析

該雙支撐穩(wěn)態(tài)機(jī)組的電機(jī)自由端采用SKF NU317 圓柱滾子軸承，電機(jī)負(fù)荷端采用FAG 6317 深溝球軸承，泵負(fù)荷端采用SKF 6217 深溝球軸承，泵自由端采用NSK 7314B 角接觸球軸承，且均為在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行。其中，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2373 r/min，轉(zhuǎn)頻為2373/60=39.55 Hz。根據(jù)具體軸承參數(shù)，可計(jì)算出滾動(dòng)軸承故障頻率（表2）。

表2 滾動(dòng)軸承故障頻率 Hz

各測點(diǎn)加速度趨勢圖如圖5 所示。3H、3V 測點(diǎn)的加速度總值自啟機(jī)后開始出現(xiàn)緩慢波動(dòng)上升，近期總值又上升至一個(gè)新的臺階，兩者之間的變化趨勢具有明顯的同步性，4H、4A 測點(diǎn)加速度總值自啟機(jī)后緩慢上升又下降至新的平臺趨于穩(wěn)定，近期也有快速上升的趨勢。

圖5 各測點(diǎn)加速度趨勢

各測點(diǎn)速度趨勢圖如圖6 所示。該機(jī)組自2021 年6 月1 日開始，定子H、2H、3H、3V 以及4H 測點(diǎn)速度均開始出現(xiàn)緩慢上升的現(xiàn)象，之后又短暫下降，3H 測點(diǎn)振動(dòng)速度自2021 年4 月開始持續(xù)上升，同時(shí)出現(xiàn)了較頻繁的偶發(fā)性高點(diǎn)。

圖6 各測點(diǎn)速度趨勢

綜上所述，機(jī)組加速度、速度總值發(fā)生了明顯變化，判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)已發(fā)生了變化，且在持續(xù)劣化。

4A 測點(diǎn)速度多頻譜圖如圖7 所示。從4A 測點(diǎn)處的速度多頻譜中可以明顯看出，轉(zhuǎn)頻（39.55 Hz）及諧波能量在不斷增加，諧波數(shù)量較多且不斷增加，底部的噪聲也明顯抬起，說明泵的自由端松動(dòng)特征顯著。

圖7 4A 測點(diǎn)速度多頻譜圖

2021 年5 月6 日4A 測點(diǎn)加速度時(shí)域波形圖如圖8 所示。從頻譜圖可看出，4A 測點(diǎn)存在較明顯轉(zhuǎn)頻周期間隔沖擊，機(jī)組出現(xiàn)磨碰特征。

圖8 4A 測點(diǎn)加速度時(shí)域波形圖

2021 年7 月14 日4A 測點(diǎn)加速度時(shí)域波形圖如圖9 所示。從時(shí)域波形圖可看出，4A 測點(diǎn)加速度時(shí)域波形沖擊特征消失，但振動(dòng)總值在不斷增加，進(jìn)而可以推測出泵自由端軸承與密封件的磨碰較大。

圖9 4A 測點(diǎn)加速度時(shí)域波形圖

3H 測點(diǎn)速度多頻譜圖如圖10 所示。從3H 測點(diǎn)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的速度多頻譜中可看出，轉(zhuǎn)頻諧波數(shù)量有所增加，諧波能量有上升。

圖10 3H 測點(diǎn)速度多頻譜圖

3H 測點(diǎn)時(shí)域波形圖如圖11 所示。3H 測點(diǎn)的時(shí)域波形從6 月2 日開始出現(xiàn)短暫性沖擊，沖擊幅值較高，最高可達(dá)75 m/s2。

圖11 3H 測點(diǎn)時(shí)域波形圖

4A、3H 測點(diǎn)的速度頻譜中轉(zhuǎn)頻諧波非常豐富，機(jī)組松動(dòng)特征顯著；時(shí)域波形中存在轉(zhuǎn)頻間隔的沖擊，機(jī)組存在轉(zhuǎn)子磨碰特征。結(jié)合機(jī)組轉(zhuǎn)頻諧波豐富及轉(zhuǎn)子磨碰可知泵的自由端軸承密封器件可能存在明顯磨損，密封內(nèi)徑明顯磨大，導(dǎo)致定位軸承的軸向力增大，保持架出現(xiàn)卡澀，軸承磨損明顯加劇，最終會導(dǎo)致軸承損壞、聯(lián)軸器對中不良等一系列問題。2021年6 月16 日4A 測點(diǎn)的加速度總值出現(xiàn)上升，主要表現(xiàn)為9000～11 000 Hz 頻段能量增加，時(shí)域波形中存在沖擊，整體沖擊幅值較高。對4A 測點(diǎn)17 日的長波形9000～11 000 Hz 頻段進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析可知，頻譜主要為轉(zhuǎn)頻及其諧波。4A 測點(diǎn)包絡(luò)解調(diào)圖如圖12 所示。

圖12 4A 測點(diǎn)包絡(luò)解調(diào)圖

4A 測點(diǎn)包絡(luò)解調(diào)圖如圖13 所示。2021 年6 月17 日以后，4A 測點(diǎn)長波形包絡(luò)譜中出現(xiàn)明顯的保持架故障特征頻率。

圖13 4A 測點(diǎn)包絡(luò)解調(diào)圖

3H 測點(diǎn)長波形時(shí)域波形頻譜分析圖如圖14 所示。對近期3H 測點(diǎn)的長波形時(shí)域波形頻譜進(jìn)行分析，可看出全頻段的連續(xù)能量譜峰群存在明顯的摩擦特征。

圖14 3H 測點(diǎn)長波形時(shí)域波形頻譜分析圖

3H 測點(diǎn)的長波形包絡(luò)解調(diào)圖如圖15 所示，圖中可見清晰的116.602 Hz 頻率及豐富的諧波。由圖可知，存在161.426 Hz頻率及其諧波，并伴有較豐富的轉(zhuǎn)頻邊帶。

圖15 3H 測點(diǎn)長波形包絡(luò)解調(diào)圖

3V 測點(diǎn)長波形包絡(luò)解調(diào)圖如圖16 所示。從3V 測點(diǎn)的長波形包絡(luò)解調(diào)譜中可見明顯的保持架及外圈故障特征頻率，并轉(zhuǎn)頻及其諧波數(shù)量較多且?guī)в斜３旨苓厧А?/p>

圖16 3V 測點(diǎn)長波形包絡(luò)解調(diào)圖

從3H 測點(diǎn)近期頻譜分析可見連續(xù)的能量譜峰群。針對3H 和3V 能量增加部分進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，可發(fā)現(xiàn)明顯的軸承外圈及保持架特征頻率及其諧波，諧波能量較高且數(shù)量豐富，具有明顯的保持架卡澀，磨損特征明顯的特點(diǎn)。結(jié)合近期3H、3V 加速度總值突然上升，4A 測點(diǎn)磨碰特征消失的情況，可以判斷自由端軸承密封件被磨大，負(fù)荷端軸承軸向力變大，導(dǎo)致保持架卡澀，振動(dòng)明顯加劇。

因此，綜上分析可看出泵出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，得出以下診斷結(jié)論：①泵自由端定位軸承嚴(yán)重松動(dòng)，轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子與密封等器件磨碰明顯，近期磨碰特征消失，密封器件被磨大，密封存在泄漏；②泵自由端定位軸承嚴(yán)重松動(dòng)后，泵前端軸承已承受較大的軸向力，軸承預(yù)緊力過大，導(dǎo)致軸承摩擦特征明顯。

導(dǎo)致出現(xiàn)以上問題的根源在于：泵自由端軸承松動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子與密封件或軸肩等有磨碰，繼而造成密封件被磨損嚴(yán)重使得泵負(fù)荷端軸承軸向力增大，軸承預(yù)緊力過大，導(dǎo)致保持架卡澀，摩擦特征明顯。

因此，根據(jù)以上分析進(jìn)行檢維修過程得出的診斷結(jié)論，給出以下檢修建議：①盡快停機(jī)檢查泵自由端定位軸承是否存在嚴(yán)重松動(dòng)，檢查軸承端面、軸肩是否有摩擦痕跡，檢查軸承座是否有磨損，若有磨損應(yīng)酌情修復(fù)或更換軸承；②檢查泵自由端密封是否存在泄漏；緊固泵驅(qū)動(dòng)端軸承座與座孔連接螺栓（圖17）。

圖17 滾動(dòng)軸承故障檢修

4 結(jié)論

振動(dòng)監(jiān)測對設(shè)備故障的早期診斷有著積極的現(xiàn)實(shí)意義，有助于及時(shí)、有效地掌握設(shè)備性能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備由計(jì)劃性維修和預(yù)防性維修向預(yù)知性維修的轉(zhuǎn)變，從而使其設(shè)備健康處于可控狀態(tài)。本文以減三及二中泵為例，采用振動(dòng)分析法，運(yùn)用頻譜、時(shí)域波形、包絡(luò)解調(diào)等分析工具來實(shí)現(xiàn)故障診斷，能夠降低設(shè)備維護(hù)成本5%～10%，節(jié)約計(jì)劃維護(hù)時(shí)間20%～50%，并提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)間10%～20%，具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。