頻譜分析在滾動(dòng)軸承故障診斷中的應(yīng)用

李慶云，王惠軍

（廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中重要的部件，也是最易受損的元件之一。軸承的工作環(huán)境直接影響設(shè)備的運(yùn)行狀況[1]。采用頻譜分析方法，可以快速找出滾動(dòng)軸承故障的特征頻率，判斷故障類別及產(chǎn)生的原因，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承故障的早期發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確診斷，因此具有重要意義。

滾動(dòng)軸承在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用較為廣泛，故障類型較多。導(dǎo)致軸承失效的因素多且雜，失效形式及現(xiàn)象特征各不相同[2]。常見(jiàn)的失效形式有以下幾種：1）軸承受到交變應(yīng)力作用而引起疲勞失效，會(huì)在軸承表面形成點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落；2）長(zhǎng)時(shí)間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦，使得軸承表面的金屬出現(xiàn)疲勞磨損，在軸承表面形成鑿削式或犁溝式磨損，導(dǎo)致摩擦面局部過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成摩擦面焊合卡死；3）軸承的密封不良，外界水分進(jìn)入軸承內(nèi)引起化學(xué)腐蝕，腐蝕產(chǎn)生的銹斑會(huì)使軸承表面產(chǎn)生早期剝落，加劇磨損；4）安裝不當(dāng)導(dǎo)致軸承各零部件間的受力不均，隨著時(shí)間推移，軸承會(huì)喪失運(yùn)轉(zhuǎn)精度。

滾動(dòng)軸承的故障頻率一般有4 種，即保持架故障頻率、滾動(dòng)體故障頻率、軸承外圈故障頻率、軸承內(nèi)圈故障頻率。采用頻譜分析技術(shù)，對(duì)滾動(dòng)軸承的故障特征頻率進(jìn)行提取和分析[3]，基于故障類型和特征之間的關(guān)系，準(zhǔn)確識(shí)別并確定故障類型，可為故障的診斷提供有效依據(jù)。

1 運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備簡(jiǎn)介

運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備為某大型煉廠1000 萬(wàn)t·a-1常減壓裝置二級(jí)電脫鹽注水泵，為單級(jí)懸臂泵，機(jī)泵兩端軸承型號(hào)及運(yùn)行參數(shù)如下：泵轉(zhuǎn)速2980r·min-1，輸送介質(zhì)為水，介質(zhì)運(yùn)行溫度40℃，泵入口壓力0.01MPa(G)，泵出口壓力2.31MPa(G)，泵驅(qū)動(dòng)端軸承是1對(duì)型號(hào)為7312B 的角接觸球軸承，泵非驅(qū)動(dòng)端軸承是1套型號(hào)為NU312的圓柱滾子軸承。

2 軸承的運(yùn)行故障

在正常運(yùn)行期間，二級(jí)電脫鹽注水泵的軸承加速度在20m·s-2左右。2023年12月5日，該泵體驅(qū)動(dòng)端的軸承加速度在3 個(gè)方向同時(shí)出現(xiàn)上漲，水平方向的加速度為48.3m·s-2，垂直方向的加速度為46.0m·s-2，在泵體驅(qū)動(dòng)端的軸承座處，用聽(tīng)診器能聽(tīng)見(jiàn)明顯噪音，軸承振動(dòng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖

3 軸承振動(dòng)故障分析

3.1 軸承故障特征頻率的計(jì)算

滾動(dòng)軸承的失效過(guò)程一般分為4 個(gè)階段。第1階段為軸承的早期故障階段，頻率范圍在250～350kHz，軸承故障的各特征頻率不明顯，此時(shí)軸承的運(yùn)行聲音及振動(dòng)均比較正常。第2階段為軸承的輕微故障階段，頻率范圍在0.5～20kHz，軸承的輕微缺陷產(chǎn)生的沖擊，會(huì)引起軸承元件的固有頻率共振，此時(shí)軸承振動(dòng)頻譜圖里僅顯示固有頻率的成分。第3 階段為軸承故障的發(fā)展階段，除固有頻率外，出現(xiàn)了更多的倍頻及間隔頻率，軸承故障肉眼可見(jiàn)，需要安排檢修更換。第4 階段為故障的尾聲階段，此時(shí)軸承的振動(dòng)和噪聲異常明顯，沖擊能量巨大，極易對(duì)設(shè)備造成毀滅性破壞，實(shí)際生產(chǎn)中要避免這種情況出現(xiàn)。滾動(dòng)軸承的不同故障位置引起的特征頻率的計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 不同故障部位引起的特征頻率的計(jì)算

式中，F(xiàn)O 是外圈故障頻率，Hz；FI 是內(nèi)圈故障頻率，Hz；FT 是保持架故障頻率，Hz；FS 是滾動(dòng)體故障頻率，Hz；D是滾動(dòng)體中心圓直徑，mm；d是滾動(dòng)體直徑，mm；α是接觸角，°；z是滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；n是軸轉(zhuǎn)速，r·min-1。

3.2 軸承故障特征頻率的分析

對(duì)泵驅(qū)動(dòng)端軸承在水平方向和垂直方向的加速度進(jìn)行頻譜分析。從加速度波形看，時(shí)域波形存在沖擊信號(hào)，沖擊幅值達(dá)199.3m·s-2。從頻譜圖看，加速度的頻譜峰值已擴(kuò)散到1000～4000Hz 頻段，出現(xiàn)了353Hz 的諧波信號(hào)，與軸承內(nèi)圈的特征頻率相近(圖2 和圖3)。據(jù)此初步判斷是軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了故障。

圖2 驅(qū)動(dòng)端軸承水平方向加速度趨勢(shì)及頻譜圖

圖3 驅(qū)動(dòng)端軸承垂直方向加速度趨勢(shì)及頻譜圖

2023 年11 月30 日，泵體驅(qū)動(dòng)端軸承的包絡(luò)沖擊值為7.7gIE，12月5日的包絡(luò)沖擊值為20.8gIE，出現(xiàn)了波動(dòng)上漲。在頻譜上，軸承內(nèi)圈和滾動(dòng)體的特征頻率均出現(xiàn)了峰值，軸承內(nèi)圈的缺陷頻率相對(duì)更明顯(圖4)。

圖4 泵體驅(qū)動(dòng)端軸承g(shù)IE趨勢(shì)及頻譜圖

3.3 軸承故障的驗(yàn)證

對(duì)軸承故障機(jī)泵進(jìn)行切換，停下后盤車發(fā)現(xiàn)軸承有卡頓現(xiàn)象。于2023 年12 月13 日安排檢修拆解，發(fā)現(xiàn)泵體驅(qū)動(dòng)端拆下的軸承內(nèi)圈滾道存在約1cm2的疲勞剝落(圖5)。拆檢結(jié)果與頻譜分析結(jié)果相吻合。更換新軸承并對(duì)中找正、開(kāi)機(jī)試運(yùn)后，設(shè)備運(yùn)行正常，振動(dòng)由4.2mm·s-1下降至3.9mm·s-1，加速度由48.3m·s-2下降至8.2 m·s-2，檢修前后軸承振動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 檢修前后軸承的運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖5 驅(qū)動(dòng)端軸承拆解內(nèi)圈圖

4 結(jié)論

滾動(dòng)軸承的故障診斷是設(shè)備故障診斷技術(shù)中的一項(xiàng)內(nèi)容。將頻譜分析用于軸承故障的準(zhǔn)確診斷，可為設(shè)備的精準(zhǔn)檢修提供依據(jù)和指導(dǎo)，進(jìn)而可為安全生產(chǎn)提供有力保障。