基于振動(dòng)頻譜的滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究

唐孟橋

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

滾動(dòng)軸承是設(shè)備維護(hù)過程中經(jīng)常用到的通用標(biāo)準(zhǔn)部件。在設(shè)備維護(hù)過程中，對軸承工作狀態(tài)的了解程度決定了其維修進(jìn)度和成本。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備不斷增多，因此迫切需要一種能夠快速、準(zhǔn)確地判斷軸承運(yùn)行狀態(tài)的故障判斷方法。隨著對滾動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的不斷深入，人們對軸承振動(dòng)中的頻率、軸承部件的幾何尺寸以及損傷類型之間的關(guān)系有了更加清楚的了解。

1 頻譜診斷的原理

機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)是由機(jī)械設(shè)備所受激振力而產(chǎn)生的，而機(jī)械設(shè)備所受的激振力則是來自摩擦等因素。如果軸承在不同位置的運(yùn)動(dòng)速度存在差異，就會造成激振力頻率的差別，不同的振動(dòng)頻率對應(yīng)著軸承不同位置的激振力頻率：

其中，r 為軸承轉(zhuǎn)速；n 為滾柱數(shù)量；d 為滾柱直徑、D 為軸承節(jié)徑。

從式（1）可以發(fā)現(xiàn)，軸承不同部位發(fā)生故障的振動(dòng)頻率都不相同，因此可以通過對振動(dòng)頻率的檢測來判斷故障原因。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 診斷故障程度

本文以2 臺故障電機(jī)為例，其傳動(dòng)端部發(fā)出了類似的“砰砰”聲。其中，電機(jī)1 為立式水冷形式，額定轉(zhuǎn)速1488 r/min，傳動(dòng)端部采用6232/C3 型軸承，電機(jī)的振動(dòng)很小，沒有發(fā)熱現(xiàn)象；電機(jī)2 為水平風(fēng)冷形式，額定轉(zhuǎn)速992 r/min，采用NU234/C3 及6234/C3 型軸承，電機(jī)振動(dòng)不大、沒有發(fā)熱現(xiàn)象。對2 臺電機(jī)的傳動(dòng)端部軸承進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析（圖1、圖2），可以看出每個(gè)波峰都是轉(zhuǎn)速的相應(yīng)倍率，波峰集中出現(xiàn)在低頻區(qū)，隨著轉(zhuǎn)速的提高波峰逐漸減小，一直到高頻范圍徹底消失。而在FT、BS、BPI 所指之處，均未見波峰，說明該設(shè)備可以正常運(yùn)行，異響并非因6232/C3 型軸承引起。連續(xù)監(jiān)測電機(jī)振動(dòng)頻譜，并未發(fā)現(xiàn)頻譜圖像發(fā)生明顯變化，說明該設(shè)備本身并無問題。

圖1 電機(jī)低頻區(qū)頻譜

圖2 電機(jī)高頻區(qū)頻譜

電機(jī)的傳動(dòng)側(cè)同時(shí)有2 套軸承，通過對比這2 套軸承的振動(dòng)頻譜可以看出，每套軸承上都有一個(gè)尖峰，其峰值與6234/C3 型軸承的失效特征頻率相同，且每個(gè)波峰之間的時(shí)間區(qū)間相同、均為轉(zhuǎn)速的0.43 倍，是6234/C3 型軸承失效的時(shí)間區(qū)間。其他波形與此相似，均為6234/C3 型軸承內(nèi)環(huán)失效的特征頻率。這表明噪聲來自于6234/C3 型軸承主動(dòng)端面的內(nèi)環(huán)。從圖種可以看出，該軸承的失效高峰十分顯著，表明該軸承存在較嚴(yán)重的問題，應(yīng)盡早進(jìn)行維修。

完成電機(jī)1 的大修工作后，對其進(jìn)行了一次全面檢測。結(jié)果表明，電機(jī)傳動(dòng)端的軸承沒有問題，只有輕微的外殼的磨損和軸承跑套。在對軸承外殼進(jìn)行嵌套后，重新安裝并試運(yùn)轉(zhuǎn)，噪聲消失，振動(dòng)和溫度等指標(biāo)均正常。

緊急組織對電機(jī)2 進(jìn)行拆解大修，拆解后發(fā)現(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)端部的6234/C3 型軸承的軌道上，有一條清晰可見的溝痕，軌道表層有一塊因疲勞而脫落的金屬異物，軸承已經(jīng)不能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要立即進(jìn)行維修。

2.2 診斷故障原因

由頻譜圖象可知，電機(jī)1 呈現(xiàn)出一種周期的振動(dòng)狀態(tài)，其振動(dòng)和噪聲周期從小到大，然后又逐漸降低，直到完全恢復(fù)到原來的狀態(tài)。噪聲最大時(shí)，振幅約為38 μm，溫度無異常。電機(jī)1 傳動(dòng)端部振動(dòng)頻譜測如圖3 所示。

圖3 電機(jī)1 驅(qū)動(dòng)端低頻區(qū)頻譜

頻譜圖象表明，在FT、BS 及BPI 所指方向上均無波峰出現(xiàn)。由此可以得出，電機(jī)的軸承沒有任何問題。根據(jù)頻譜分析，判定電機(jī)是否存在對中和松脫的問題。在設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，發(fā)現(xiàn)由于液壓耦合裝置與減速裝置接頭的梅花片在長時(shí)間的使用中出現(xiàn)了磨損，導(dǎo)致液壓耦合裝置與減速裝置接頭的縫隙不均勻，對中出現(xiàn)了較大扭曲。

2.3 軸承故障早期預(yù)警

在軸承故障的早期狀態(tài)，其異?，F(xiàn)象并不顯著，很難被發(fā)現(xiàn)。利用頻譜分析的方法，可以實(shí)現(xiàn)對軸承故障的早期預(yù)警，便于及時(shí)維修。

電機(jī)2 位于中轉(zhuǎn)速時(shí)，地基產(chǎn)生了很大的振動(dòng)，工作環(huán)境的溫度接近50 ℃且存在粉塵。因?yàn)殡姍C(jī)安裝在8 m 以上的高度，工作平臺狹窄，所以必須使用人工吊籃來拆卸和組裝電機(jī)，修理非常困難。在對該電機(jī)的一次常規(guī)檢查中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的振動(dòng)頻率出現(xiàn)了明顯的異常（圖4）。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端異常圖譜

盡管當(dāng)時(shí)電機(jī)的噪聲、振動(dòng)幅度和溫度均正常，但是電機(jī)的振動(dòng)頻率卻反映出明顯的異?，F(xiàn)象。經(jīng)過反復(fù)測試，認(rèn)為電機(jī)軸承已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的問題，需要及時(shí)進(jìn)行維修。由于該設(shè)備不便停止運(yùn)行，所以立即加大了對該電機(jī)的監(jiān)控力度，并做好了更換備用電機(jī)的準(zhǔn)備，以便在需要時(shí)可以隨時(shí)替換。

2 d 后電機(jī)發(fā)生跳閘故障，經(jīng)過檢驗(yàn)分析，決定替換電機(jī)。因?yàn)橐呀?jīng)事先做好了充足的備件和工具準(zhǔn)備，使得更換電機(jī)所需的時(shí)間大大減少，迅速恢復(fù)了設(shè)備的正常工作。拆解故障電機(jī)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)負(fù)載端軸承破碎，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子被卡住，與根據(jù)頻譜分析得出的結(jié)論相符。

3 結(jié)束語

振動(dòng)頻譜分析技術(shù)在滾動(dòng)軸承的故障檢測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的在線監(jiān)測，并可以快速、有效地判斷軸承的故障類型和程度，通過對軸承的狀態(tài)監(jiān)測評估其健康狀況，預(yù)測其剩余使用壽命，使維修工作能夠真正做到及時(shí)準(zhǔn)確，使其由預(yù)防性維修向預(yù)知性維修的方向發(fā)展，縮短維修工期，節(jié)省維修費(fèi)用。