王明霞 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司設(shè)備部，天津 300301)

高爐助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)滾動(dòng)軸承故障的分析與診斷

王明霞 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司設(shè)備部，天津 300301)

介紹了高爐助燃風(fēng)機(jī)設(shè)備基本情況，針對(duì)助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)滾動(dòng)軸承外圈故障的現(xiàn)象，根據(jù)振動(dòng)分析的普通理論，應(yīng)用RH802雙通道數(shù)據(jù)采集器，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、幅域、頻譜、包絡(luò)譜等進(jìn)行分析和診斷。實(shí)踐證明，故障診斷技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備滾動(dòng)軸承故障診斷可以準(zhǔn)確地確定故障部位，為設(shè)備維修提供科學(xué)依據(jù)。

電機(jī) 滾動(dòng)軸承 特征頻率 故障 分析 診斷

1 前言

滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中使用量最多的零件，也是最易損壞的零件之一。滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)非常復(fù)雜，承載方向有徑向、軸向及混合方向等等;運(yùn)動(dòng)形式有擺動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，在有的場(chǎng)合還有直線運(yùn)動(dòng)的。磨損是滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的一種失效形式。在滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾動(dòng)體和保持架之間均存在滑動(dòng)，這些滑動(dòng)會(huì)引起零件接觸面的磨損。另外，滾動(dòng)軸承還有疲勞、腐蝕、塑性變形、斷裂和膠合等幾種失效形式[1]。組成滾動(dòng)軸承的任何一個(gè)元件一旦失效，就會(huì)影響軸承的整體壽命，也會(huì)影響設(shè)備的使用壽命。因此，要準(zhǔn)確掌握設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)，就必須運(yùn)用設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)，監(jiān)測(cè)軸承的運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)樵O(shè)備轉(zhuǎn)子上的振動(dòng)載荷直接作用在軸承上，并通過(guò)軸承把設(shè)備與基礎(chǔ)聯(lián)接成一個(gè)整體，軸承運(yùn)行中的振動(dòng)參量能夠反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的狀態(tài)數(shù)據(jù)量化，從而預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)設(shè)備的可靠性。故障診斷技術(shù)能夠早期發(fā)現(xiàn)故障，對(duì)其部位、原因、危險(xiǎn)程度等進(jìn)行識(shí)別，預(yù)報(bào)故障的發(fā)展趨勢(shì)，并針對(duì)設(shè)備的劣化情況作出維修決策。其實(shí)施的過(guò)程包括信號(hào)的采集、處理和分析等，其中信號(hào)分析包括多種方法，但最常見(jiàn)是頻譜分析。本文中煉鐵廠助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)軸承故障是利用幾種不同分析方法來(lái)綜合判斷，使其結(jié)論更為準(zhǔn)確。

2 設(shè)備的概況

天鋼集團(tuán)煉鐵廠助燃風(fēng)機(jī)是高爐煉鐵的關(guān)鍵的設(shè)備之一。燒爐時(shí)，高爐煤氣經(jīng)過(guò)煤氣V錐流量計(jì)、煤氣調(diào)節(jié)閥、煤氣切斷閥、煤氣燃燒閥進(jìn)入燃燒室的矩形燃燒器;助燃空氣由助燃風(fēng)機(jī)送出，經(jīng)過(guò)空氣V錐流量計(jì)、空氣調(diào)節(jié)閥、空氣燃燒閥進(jìn)入燃燒室的矩形燃燒器;空氣與煤氣混合后燃燒。燃燒的廢氣經(jīng)過(guò)拱頂，穿過(guò)蓄熱室的格子磚，進(jìn)入煙道而排入煙囪。因此，助燃風(fēng)機(jī)在煉鐵過(guò)程中的作用是非常重要的。

2009年初以來(lái)，煉鐵廠1#高爐的1#助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)其輸出端垂直方向的振動(dòng)值增長(zhǎng)的速度加快，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的劣化曲線分析，說(shuō)明電機(jī)輸出端存在了故障。經(jīng)過(guò)連續(xù)多次信號(hào)采集、計(jì)算和綜合的分析，判斷出電機(jī)輸出端NSK232滾柱軸承外圈故障，提出整改意見(jiàn)并作了及時(shí)的處理，使設(shè)備運(yùn)行正常。

2.1 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YKK560-4

電機(jī)功率：1120 kW

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：1 493 r/min

電動(dòng)機(jī)的軸承配置為：自由端為一個(gè)滾柱軸承NSK232，輸出端為兩個(gè)軸承，一個(gè)滾珠軸承6232和一個(gè)滾柱軸承NSK232。

風(fēng)機(jī)：軸功率是980 kW;其滾動(dòng)軸承為3G3524KT 2;風(fēng)機(jī)葉片 10～12 片。

2.2 設(shè)備傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖及測(cè)點(diǎn)布置

助燃風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)示意圖及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

當(dāng)每一個(gè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體便在各自內(nèi)外圈之間滾動(dòng)。由于軸承的滾動(dòng)表面高低不平，特別是材料表面產(chǎn)生疲勞剝落時(shí)，高低不平的情況更為突出。滾動(dòng)體在這些凹凸面上轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生交變的激振力，滾動(dòng)體既有自轉(zhuǎn)，又隨內(nèi)外圈的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，所產(chǎn)生的振動(dòng)，既有隨機(jī)的，又含有滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng)，其主要頻率成分為滾動(dòng)軸承的特征頻率（故障頻率)。

（1) 滾動(dòng)體故障頻率[2]

以上式中：d——滾動(dòng)體直徑;

D——滾動(dòng)軸承平均直徑(滾動(dòng)體中心處直徑);

β——徑向方向接觸角;

n——滾動(dòng)體數(shù)目;

F1——軸承所在軸旋轉(zhuǎn)頻率，即內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率;

N——軸承所在軸的轉(zhuǎn)速;

將測(cè)點(diǎn)2的軸承NSK232和6232的機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)代入以上公式計(jì)算出其特征頻率見(jiàn)表1。

表1 軸承特征頻率 /Hz

3 精密診斷

該風(fēng)機(jī)電機(jī)的測(cè)點(diǎn)2在2009年初發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)值有增大趨勢(shì)，利用數(shù)據(jù)采集器對(duì)電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，粗略分析電動(dòng)機(jī)輸出端的振動(dòng)異常不是由于聯(lián)軸器的不對(duì)中所造成。另外，由于風(fēng)機(jī)振動(dòng)平穩(wěn)正常，于是重點(diǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了分析。

3.1 幅域分析

首先通過(guò)后3次的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理，根據(jù)ISO10816-3的有效值判別標(biāo)準(zhǔn)，判斷電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。其數(shù)據(jù)如表2。

表2 測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)有效值 /mm/s

（1) 從表2中可以看出，測(cè)點(diǎn)1電機(jī)自由端的振動(dòng)速度有效值很平穩(wěn)，說(shuō)明沒(méi)有問(wèn)題。測(cè)點(diǎn)2的振動(dòng)絕對(duì)值根據(jù)ISO10816-3標(biāo)準(zhǔn)雖屬可運(yùn)行范圍，但其變化量很大，2009年5月19日水平、垂直數(shù)據(jù)與3月12日比較分別增長(zhǎng)了49.3%和32%，說(shuō)明其徑向有突變。

（2) 鑒于垂直方向振動(dòng)值較大，因此，對(duì)于軸承的垂直方向上下兩端點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，上部與表2的值相符，但下部在最低點(diǎn)的左右30°范圍內(nèi)的振動(dòng)值有很大差異，最大值能達(dá)速度有效值9 mm/s，已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中“C”級(jí)振動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)，屬于不“不允許”范疇。

（3) 2點(diǎn)的加速度值從10 m/s2以下增大到30 m/s2以上，2009年5月19日增大到46 m/s2。齒輪或軸承有故障屬于高頻振動(dòng)，加速度值對(duì)高頻振動(dòng)成分敏感。而電機(jī)電流平穩(wěn)，說(shuō)明電機(jī)電氣部分正常，因此，說(shuō)明電機(jī)機(jī)械部分發(fā)生了故障。

3.2 頻譜分析

將低頻段測(cè)得振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)低通抗疊混濾波器后，進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，得到頻譜圖。根據(jù)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式計(jì)算得到各項(xiàng)特征頻率[2]，在頻譜圖中找出，觀察其變化，從而判別故障的存在與部位，這就是利用頻譜圖來(lái)分析滾動(dòng)軸承故障的一般方法。

2009年2 月發(fā)現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)值有增大趨勢(shì)，用沖擊能量譜已經(jīng)看到軸承NSK232外圈的特征頻率，但當(dāng)時(shí)屬于軸承故障的初始階段，可以重點(diǎn)關(guān)注，但不影響設(shè)備使用。到3月份振值仍有增長(zhǎng)，到5月份增長(zhǎng)的幅度加大，特別是2倍轉(zhuǎn)速頻率49.8 Hz的幅值開(kāi)始增大，從速度譜中已經(jīng)看到軸承NSK232的外圈特征頻率，并有其高次諧波頻率出現(xiàn)，高次諧波頻率兩側(cè)有2倍的旋轉(zhuǎn)頻率出現(xiàn)，這種情況屬于滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的第3階段的尾聲，如圖2。需要指出的是，各種特征頻率都是從理論上推導(dǎo)出來(lái)的，而實(shí)際上，由于軸承的各幾何尺寸會(huì)有誤差，加上軸承安裝后的變形，F(xiàn)FT計(jì)算誤差等因素，使得實(shí)際的頻率與計(jì)算所得的頻率會(huì)有某些出入，所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時(shí)，需在計(jì)算的頻率值上找其近似的值來(lái)做診斷。例如，圖2中的196 Hz即為計(jì)算的外圈頻率194.09 Hz的近似值。

3.3 時(shí)域分析

一般的原始數(shù)據(jù)都是時(shí)間波形的形式。時(shí)間波形直觀、易于理解，對(duì)某些故障信號(hào)波形有明顯特征，因此，可以利用時(shí)域波形先做初步判斷。例如，對(duì)疲勞剝落的齒輪和滾動(dòng)軸承，信號(hào)中存在沖擊脈沖;當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)械有較大的不平衡時(shí)，信號(hào)有明顯的周期性成分，在回轉(zhuǎn)軸又不對(duì)中故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)在一轉(zhuǎn)中有大小的變化;當(dāng)旋轉(zhuǎn)件有松動(dòng)時(shí)，時(shí)域波形上下出現(xiàn)非對(duì)稱波形等[3]。

圖2 2點(diǎn)垂直方向時(shí)域波形和頻譜圖

從圖2中2點(diǎn)垂直方向時(shí)域波形看，有很明顯的沖擊信號(hào);其峭度指標(biāo)和裕度指標(biāo)分別從3月12日的3.82和5.54降為5月19日的3.23和4.55，因該兩指標(biāo)對(duì)沖擊信號(hào)敏感，并且從高點(diǎn)出現(xiàn)拐點(diǎn)開(kāi)始向下，其水平說(shuō)明軸承NSK232存在磨損剝落類缺陷，已經(jīng)到了該更換的時(shí)候了。

3.4 倒頻譜分析

在對(duì)軸承和齒輪箱類設(shè)備進(jìn)行故障診斷時(shí)，為了能更準(zhǔn)確地找出軸承和齒輪故障的特征頻率，往往需要進(jìn)行頻率的細(xì)化分析。但實(shí)際分析時(shí)，僅僅對(duì)頻率進(jìn)行細(xì)化是不夠的，不能看清其頻率結(jié)構(gòu)，因此還需進(jìn)行倒頻譜分析。倒頻譜能夠較好地檢測(cè)出功率譜上的周期成分，使其定量化[4]，將原來(lái)成簇的譜的邊帶簡(jiǎn)化為單根譜線。而齒輪、軸承樣的零部件發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)頻譜的邊帶一般具有等間隔性，利用倒頻譜這個(gè)優(yōu)勢(shì)，可以分辨出功率譜中出故障的部件的周期信號(hào)。倒頻譜的定義有多種，工程上應(yīng)用較多的是幅值倒頻譜，計(jì)算公式如下：

倒譜的自變量τ較大時(shí)，說(shuō)明功率譜密度函數(shù)Sx（f)快速波動(dòng)，τ較小時(shí)說(shuō)明 Sx（f)慢速波動(dòng)[3]。

倒頻譜對(duì)于傳感器的位置、信號(hào)的傳輸路徑、調(diào)制的相位關(guān)系不敏感，不同點(diǎn)的幅值譜圖差異可能很大，但倒頻譜顯示的結(jié)果會(huì)完全相同，因此，有利于找到故障的特征頻率[3]。

如上述中的2點(diǎn)垂直方向的倒頻譜圖見(jiàn)圖3，圖3中出現(xiàn)了以約20 ms為周期間隔的單根譜線，相當(dāng)于該零部件的故障頻率為50 Hz，而軸的轉(zhuǎn)速為1 493 r/min，旋轉(zhuǎn)頻率為 24.88 Hz，約為 25 Hz，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)頻率的2倍，即對(duì)應(yīng)了上述的軸承特征頻率所具有的邊帶是50 Hz,說(shuō)明軸承上下點(diǎn)的不對(duì)中，預(yù)示著軸承故障。

圖3 2點(diǎn)垂直方向倒頻譜

3.5 包絡(luò)譜分析

包絡(luò)檢波頻譜法也稱為共振解調(diào)分析法，是目前滾動(dòng)軸承故障診斷中最常用的方法之一[2]。共振解調(diào)法的基本原理是理想的故障微沖擊脈沖信號(hào)，由傳感器接收后，經(jīng)過(guò)高頻諧振和包絡(luò)檢波處理，形成純低頻的周期波，波的周期T仍與原始沖擊頻率相對(duì)應(yīng)，然后把此波作為新的振動(dòng)波形進(jìn)行頻譜分析，在頻譜圖上可以很清楚地看到?jīng)_擊波及其諧頻成分。包絡(luò)譜能夠早期檢測(cè)僅用振動(dòng)分析不能捕捉到，尤其是故障問(wèn)題的初期階段，而且比較可靠。另外，它還可以檢測(cè)僅用振動(dòng)分析可能丟失的潛在的嚴(yán)重故障問(wèn)題。

對(duì)于上面提到的電動(dòng)機(jī)，由于普通的時(shí)域信號(hào)有可能捕捉不到故障成分，于是進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)域信號(hào)采集，因?yàn)樵撻L(zhǎng)時(shí)域能夠?qū)⑵湫盘?hào)在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，連續(xù)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)中更多的周期信號(hào)，得到更多的特征，通過(guò)加速度包絡(luò)譜分析，得到很清晰的軸承NSK232外圈的軸承頻率195.3 Hz及其多倍諧頻，如圖4，每一條故障頻率譜線很清晰明了，這就更說(shuō)明滾動(dòng)軸承NSK232有故障的準(zhǔn)確性。

圖4 測(cè)點(diǎn)2垂直方向長(zhǎng)時(shí)域加速度譜和包絡(luò)譜

3.6 診斷結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上綜合振動(dòng)分析，得出結(jié)論：電機(jī)輸出端的NSK232滾柱軸承外圈存在磨損剝落類缺陷，造成軸承下部的振動(dòng)不穩(wěn)定，于是建議停機(jī)檢修。2009年5月25日將該電機(jī)換下拆檢，發(fā)現(xiàn)該軸承底部有幾處剝落如圖5所示，由此證明了診斷的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)及時(shí)更換軸承和檢修，避免了電機(jī)的損壞，保證了生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

圖5

4 結(jié)論

4.1 對(duì)于滾動(dòng)軸承的故障診斷來(lái)說(shuō)，高頻包絡(luò)譜應(yīng)用于對(duì)軸承的早期故障判斷，確定有無(wú)早期故障信號(hào)，還可以利用它結(jié)合頻譜分析對(duì)潤(rùn)滑不良的軸承進(jìn)行判斷。普通的幅域分析、頻譜分析、時(shí)域波形和倒頻譜應(yīng)用于軸承中期故障分析。最后根據(jù)頻譜中軸承特征頻率倍頻的逐步增多情況及幅值變化情況，提出更換軸承的整改意見(jiàn)。因此，故障診斷中利用綜合的分析手段要比單一方法分析有更高的可信度。

4.2 經(jīng)過(guò)對(duì)1#高爐1#助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)軸承的監(jiān)測(cè)、分析和診斷，準(zhǔn)確確定故障部位，及時(shí)提出維修建議，從而節(jié)約了維修資金，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，收到很好的效果。采用設(shè)備的故障診斷技術(shù)來(lái)指導(dǎo)維修已成為設(shè)備維修的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)軸承信號(hào)的采集分析，判斷軸承的故障和運(yùn)行狀態(tài)，找準(zhǔn)故障部位，為設(shè)備的維修提供了科學(xué)的依據(jù)，這同時(shí)也說(shuō)明設(shè)備的故障診斷技術(shù)在設(shè)備維修和保證生產(chǎn)順行中的重要作用。

[1]許鎮(zhèn)宇，邱宣懷.機(jī)械零件[M].北京：高等教育出版社，1965：240-255.

[2]李國(guó)華，張永忠.機(jī)械故障診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992：127-130.

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Analysis and Diagnosis on Failure of Rolling Bearing of BF Combustion Blower Motor

Wang Mingxia

BF combustion blower is roughly described in the paper.Aiming at the failure at the outer ring of rolling bearing for combustion blower motor,the author conducts analysis and diagnosis on signal time domain,amplitude domain,frequency spectrum and envelope spectrum by RH802 duel channel data collector on the common principle of vibration analysis.Practice indicates that failure diagnosis technique can accurately define the fault position of rolling bearing on site and provide scientific basis for equipment maintenance.

motor,rolling bearing,characteristic frequency,failure,analysis,diagnosis

（收稿 2011-07-13 責(zé)編 趙實(shí)鳴)

王明霞，畢業(yè)于天津大學(xué)冶金分校，現(xiàn)任天津鋼鐵集團(tuán)有限公司設(shè)備部精密診斷中心機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)高級(jí)工程師。