宋 斌 范文軍 李云飛

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部，200540)

滾動(dòng)軸承是熱電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)中的易損部件，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響整臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能、效率、功能和壽命。一旦軸承出現(xiàn)故障，輕則影響設(shè)備的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致停機(jī)，甚至造成設(shè)備損壞、系統(tǒng)停產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障的30%是由軸承引起的[1]。及時(shí)發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障征兆，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)故障發(fā)展及軸承壽命，有利于提前做好生產(chǎn)維修計(jì)劃，對(duì)維持設(shè)備的安全運(yùn)行，避免風(fēng)機(jī)損壞及系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的意義。熱電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)一般配備兩臺(tái)，正常情況下全部運(yùn)行，無(wú)備用。運(yùn)行中如發(fā)生軸承故障，更換時(shí)需要鍋爐減負(fù)荷，并且一臺(tái)引風(fēng)機(jī)停下只剩一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，還存在引風(fēng)機(jī)倒轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此對(duì)準(zhǔn)確地判斷軸承狀態(tài)，正確地對(duì)軸承進(jìn)行故障診斷提出了更高的要求。為此采用了多種手段相結(jié)合診斷引風(fēng)機(jī)軸承故障的方法，取得較好的效果。

1 引風(fēng)機(jī)基本情況

引風(fēng)機(jī)是熱電廠鍋爐重要輔助設(shè)備，中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部5號(hào)爐配置了甲、乙兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)，型式為單吸離心式，型號(hào)為1788B/1375，流量為287 043 m3/h，功率為1 250 kW，采用永磁調(diào)速。風(fēng)機(jī)兩端軸承型號(hào)為22238cc/w33，生產(chǎn)廠商為SKF。軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 引風(fēng)機(jī)軸系示意

2 針對(duì)引風(fēng)機(jī)采用的故障診斷方式

2.1 聽覺(jué)診斷

利用聽覺(jué)診斷軸承故障是一種很常用的方法，主要是傾聽運(yùn)行軸承是否存在不規(guī)則、不連續(xù)等不正常的聲音以識(shí)別軸承出現(xiàn)的故障。實(shí)際使用中一般借助聽棒頂住軸承座靠近軸承的位置來(lái)傾聽軸承的聲音，若發(fā)出較低且連續(xù)嗚嗚聲，則認(rèn)為軸承處于良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；若是發(fā)出尖銳的嘶嘶音、吱吱音以及其他不規(guī)則的聲音，通常表示軸承處于不良的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。用聽棒傾聽需要有經(jīng)驗(yàn)的人員才能操作，且誤差較大，受到檢測(cè)人員當(dāng)時(shí)生理和心理的影響也較大。

2.2 簡(jiǎn)易測(cè)振儀診斷

通過(guò)便攜式測(cè)振儀(如LC2200、VM63等)對(duì)軸承測(cè)振，在軸承座上近軸承中分面位置的水平、垂直、軸向等3個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)振儀可以測(cè)得振動(dòng)的3個(gè)參數(shù)即位移、速度、加速度。一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)位移的量值是峰峰值，體現(xiàn)設(shè)備在空間上振動(dòng)的大??；速度的量值是有效值，體現(xiàn)振動(dòng)能量的大??；加速度的量值是單峰值，體現(xiàn)振動(dòng)沖擊力的大小。通常低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備用振動(dòng)位移來(lái)評(píng)判振動(dòng)大小，而高速的用加速度，中速的用速度。該風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為990 r/min，使用便攜式測(cè)振儀時(shí)采用測(cè)量振動(dòng)位移來(lái)對(duì)軸承振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 引風(fēng)機(jī)振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 設(shè)備點(diǎn)檢管理系統(tǒng)(PMS)診斷

PMS系統(tǒng)是根據(jù)流程工業(yè)的需求，融合了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)以及電子信息技術(shù)、現(xiàn)代化管理技術(shù)，將智能化儀器硬件與信息化應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備狀態(tài)點(diǎn)檢管理系統(tǒng)。點(diǎn)檢人員采用HY系列儀器(包括振動(dòng)測(cè)量?jī)x、巡檢儀、抄表儀等)現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備狀態(tài)信息以后，與電腦相連自動(dòng)回收數(shù)據(jù)至服務(wù)器，利用專用軟件就能分析數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備狀態(tài)。盡管是離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但合理的數(shù)據(jù)采集周期可以確保中、高層技術(shù)和管理人員及時(shí)掌握設(shè)備實(shí)際狀態(tài)，進(jìn)行狀態(tài)分析和故障診斷。PMS系統(tǒng)可以設(shè)置振動(dòng)超標(biāo)報(bào)警，可進(jìn)行任一測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)分析，以及時(shí)域、幅值域、頻域、時(shí)差域等多種分析功能。

對(duì)于引風(fēng)機(jī)，主要使用振動(dòng)趨勢(shì)和頻譜分析方法。振動(dòng)趨勢(shì)線自動(dòng)生成，可進(jìn)行簡(jiǎn)單故障的診斷和故障跟蹤，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，缺點(diǎn)是通過(guò)趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)軸承振動(dòng)明顯上升時(shí)，軸承已發(fā)生磨損或部分損壞，故障發(fā)現(xiàn)夠及時(shí)。利用頻譜分析可以測(cè)量得到0～1 000 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)位移或速度的幅值，然后對(duì)照滾動(dòng)軸承自身故障特征頻率診斷軸承故障，能夠判斷軸承損壞的具體部位，具有定量、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，一般在軸承損壞的初期即可發(fā)現(xiàn)故障特征頻率。滾動(dòng)軸承的故障特征頻率獲得有3個(gè)途徑：

(1)根據(jù)PMS系統(tǒng)查到的故障頻率，按照實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行換算得到。

(2)在軸承制造廠商的官方網(wǎng)頁(yè)上根據(jù)軸承型號(hào)查到。

(3)根據(jù)公式計(jì)算獲得，軸承故障頻率計(jì)算公式如下：

軸承內(nèi)圈故障特征頻率：

(1)

軸承外圈故障特征頻率：

(2)

軸承滾動(dòng)體故障特征頻率：

(3)

軸承保持架故障特征頻率：

(4)

式中，fr為滾動(dòng)軸承內(nèi)圈的回轉(zhuǎn)頻率，Hz；fr=n/60,n為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，r/min；d為滾動(dòng)體直徑，mm；D為軸承平均直徑，mm；z滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；α為壓力角(又稱接觸角)。

2.4 振動(dòng)高頻濾波檢測(cè)法

振動(dòng)高頻濾波檢測(cè)法(L-方法)是檢查滾動(dòng)軸承狀態(tài)測(cè)量軸承狀態(tài)值的方法，軸承狀態(tài)值是指運(yùn)行滾動(dòng)軸承振動(dòng)頻率在600 Hz至12 kHz這個(gè)范圍的振動(dòng)速度有效值。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試都表明：軸承的故障頻率一般都集中在高頻范圍，由不對(duì)中或不平衡等情況產(chǎn)生的振動(dòng)頻率一般都低于600 Hz，同時(shí)超過(guò)12 kHz的故障振動(dòng)信號(hào)也已相當(dāng)微弱。所以提取600 Hz至12 kHz范圍內(nèi)的振動(dòng)值，經(jīng)特定數(shù)據(jù)處理(分段加權(quán))后定義為軸承狀態(tài)值L，設(shè)備的功率、轉(zhuǎn)速以及軸承尺寸對(duì)狀態(tài)值L幾乎沒(méi)影響，同時(shí)L-方法也反映潤(rùn)滑狀態(tài)。對(duì)于引風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，由不平衡及不對(duì)中產(chǎn)生的工頻和二倍頻分別是16.5 Hz和33 Hz，在調(diào)速時(shí)均小于該頻率，適合采用L-方法。

實(shí)際工作中，應(yīng)用瑞典VIBRATIONSTEKNINK AB公司生產(chǎn)的VTM36軸承狀態(tài)檢測(cè)儀來(lái)實(shí)現(xiàn)L值的測(cè)量。VTM36定義了“好”和“差”兩個(gè)軸承標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：

(1)當(dāng)L<1時(shí)，良好的軸承狀態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài)，可繼續(xù)運(yùn)行；

(2)當(dāng)L>2時(shí)，差的軸承狀態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài)，若潤(rùn)滑良好，則表明軸承已損壞，需更換軸承；

(3)當(dāng)1

該方法簡(jiǎn)單方便，對(duì)設(shè)備巡檢和點(diǎn)檢具有較強(qiáng)實(shí)用性。但如果滾動(dòng)軸承的工作頻率在600 Hz至12 kHz時(shí)，無(wú)法應(yīng)用此方法。

3 在引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用實(shí)例

3.1 利用聽覺(jué)和簡(jiǎn)易儀器的初步判斷

根據(jù)這兩種方法的特點(diǎn)，結(jié)合熱電廠運(yùn)行操作人員的工作特性，由操作人員在日常巡檢中采用聽覺(jué)判斷，每2 h一次，當(dāng)出現(xiàn)聲音異常時(shí)，用簡(jiǎn)易儀器進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)。在正常情況下，使用簡(jiǎn)易儀器每周測(cè)振一次。

某次操作人員在巡檢中檢查5號(hào)爐引風(fēng)機(jī)乙時(shí)，利用聽棒發(fā)現(xiàn)軸承有異聲，填報(bào)缺陷。用便攜式測(cè)振儀測(cè)量，軸承振動(dòng)數(shù)值都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。進(jìn)行連續(xù)跟蹤，振動(dòng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，具體如表2所示。

表2 引風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)跟蹤

停下引風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查，檢查軸承側(cè)面，滾珠、保持架等未見(jiàn)異常。復(fù)校引風(fēng)機(jī)與永磁調(diào)速機(jī)構(gòu)的聯(lián)軸器中心，外圓與斷面的最大值分別為0.06 mm和0.05 mm，數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(標(biāo)準(zhǔn)為徑向與端面允差0.1mm)。

3.2 利用PMS系統(tǒng)診斷

當(dāng)軸承振動(dòng)有異聲，且出現(xiàn)趨勢(shì)上升時(shí)，即可以使用PMS系統(tǒng)的頻譜分析，測(cè)量設(shè)備為HY-106C，由設(shè)備管理人員負(fù)責(zé)測(cè)量、數(shù)據(jù)上傳與分析。另外，使用PMS系統(tǒng)對(duì)引風(fēng)機(jī)做每周一次的頻譜測(cè)量，數(shù)據(jù)也可以定期分析。引風(fēng)機(jī)在校驗(yàn)中心后利用PMS系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析。其頻譜(見(jiàn)圖2)及數(shù)據(jù)如表3所示。

圖2 引風(fēng)機(jī)推力端軸承水平方向振動(dòng)頻譜

頻率/Hz峰值/(mm·s-1)104.516.790.86.4117.34.6138.04.1

根據(jù)2.3中軸承故障特征頻率的獲取方法，通過(guò)生產(chǎn)商官方網(wǎng)站查得的以及采用計(jì)算公式得到的故障頻率如表4所示。

表4 22238cc/w33軸承故障頻率

根據(jù)計(jì)算公式獲得的故障頻率與制造廠家給出的數(shù)據(jù)一致。對(duì)照軸承故障特征頻率，可清楚判斷軸承外滾道損壞有損壞。由于振動(dòng)幅值未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，判斷此時(shí)外滾道表面損壞尚不嚴(yán)重。

3.3 利用L-方法進(jìn)行判斷

應(yīng)用頻譜分析軸承存在損壞后，采用VTM36進(jìn)行確認(rèn)，測(cè)量風(fēng)機(jī)推力端軸承水平和垂直方向L值分別為3.71和2.96。經(jīng)檢查該軸承潤(rùn)換條件正常，判斷軸承存在明顯損壞，但并不嚴(yán)重。

3.4 綜合判斷及處理

一般滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的過(guò)程分為4個(gè)階段(如圖3所示)，L10為滾動(dòng)軸承的整個(gè)使用壽命[2]。

第一個(gè)階段，軸承故障處于萌芽階段，溫度、聲音、振動(dòng)總量及頻譜均正常。在軸承振動(dòng)的高頻段有一定體現(xiàn)。

第二個(gè)階段，溫度正常，噪聲及振動(dòng)總量略增大，軸承故障特征頻率不明顯。

第三個(gè)階段，溫度略升高，異聲明顯，且振動(dòng)總量明顯增大，并有擴(kuò)大的趨勢(shì)，故障特征頻率明顯。高頻段振動(dòng)比第二階段變得更大。

第四個(gè)階段，溫度上升明顯，軸承聲音已明顯改變，變?yōu)楹艹畴s、很亂的噪音。振動(dòng)總量快速增大至超標(biāo)，故障特征頻率因整個(gè)頻段的振動(dòng)增大而不明顯，高頻段振動(dòng)值迅速增大。用以表征高頻段的參數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)，比如L值嚴(yán)重超標(biāo)。

根據(jù)軸承故障發(fā)展的特征，更換軸承一般建議在第三個(gè)階段后期。這樣不僅能在確保安全的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)軸承使用壽命，也能確保診斷的準(zhǔn)確性。

圖3 滾動(dòng)軸承故障典型發(fā)展過(guò)程

據(jù)此判斷軸承故障狀態(tài)處于第三階段初期，軸承有損壞，可以繼續(xù)使用，也為準(zhǔn)備設(shè)備檢修、更換軸承爭(zhēng)取了時(shí)間。引風(fēng)機(jī)在監(jiān)督下繼續(xù)運(yùn)行并進(jìn)行跟蹤，10天后軸承振動(dòng)迅速上升，測(cè)量推力端軸承水平和垂直方向L值分別為9.1和8.9。同時(shí)測(cè)得軸承水平方向的振動(dòng)位移為136～153 μm，判斷軸承故障發(fā)展至第三階段末期，甚至進(jìn)入第四階段。停引風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢修，將軸承解體后發(fā)現(xiàn)：推力端軸承外滾道表面存在兩處明顯損壞，失效形式為剝蝕[3]，其中有一處面積較大，約為80 mm×30 mm，深度0.80 mm以上。滾動(dòng)體基本完好，有細(xì)小點(diǎn)狀痕跡；內(nèi)圈表面基本完好，存在少量點(diǎn)狀痕跡。該損壞情況驗(yàn)證了上述方法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論和建議

利用多種方法診斷引風(fēng)機(jī)軸承故障，不僅有很好的準(zhǔn)確性，而且可以對(duì)軸承故障所處的階段進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。該方法的核心內(nèi)容是：定期傾聽、測(cè)量，每2 h傾聽一次，每周簡(jiǎn)易儀器測(cè)量一次，每周利用PMS系統(tǒng)檢測(cè)一次；發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，利用簡(jiǎn)易儀器進(jìn)行趨勢(shì)跟蹤，并利用頻譜分析和L-方法進(jìn)行軸承故障的準(zhǔn)確判斷；再根據(jù)軸承故障發(fā)展機(jī)理對(duì)軸承故障的準(zhǔn)確階段進(jìn)行判斷，安排設(shè)備檢修、軸承更換。根據(jù)各診斷手段的原理和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果，利用該方式不僅適用于引風(fēng)機(jī)，而且對(duì)于應(yīng)用滾動(dòng)軸承的各類泵、風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備同樣適用。但該診斷方式對(duì)于應(yīng)用滑動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備不適用。

不同人員采用不同方式的分層次監(jiān)測(cè)和診斷方式也有效地分配和使用了企業(yè)的資源，提高了生產(chǎn)效率。該診斷方式對(duì)最大發(fā)揮軸承使用壽命，合理使用檢修費(fèi)用，也有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于L-方法對(duì)軸承故障診斷的特點(diǎn)及滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的特點(diǎn)，建議對(duì)軸承也可進(jìn)行定期L值的測(cè)量，以便盡早發(fā)現(xiàn)故障征兆，做到省時(shí)省力。

[1] 李建勤,徐彥超.基于尖峰能量譜技術(shù)的滾動(dòng)軸承故障分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2009,30(5):39-41,44.

[2] 楊國(guó)安.滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2012.

[3] 陳龍,頡潭成,夏新濤.滾動(dòng)軸承應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.