張 劍

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司設備振動診斷中心，山東萊蕪 271100）

0 引言

通過長期的現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，滾動軸承作為通用零部件在各類機械中廣泛應用，由于自身結構、工作環(huán)境比較復雜，極易出現(xiàn)故障損傷。在各類機械故障中滾動軸承造成的故障有很大占比，直接關系到整臺設備的運行狀態(tài)。所以對于滾動軸承故障的裂化傾向進行研究具有非常實際的現(xiàn)實意義。

在現(xiàn)場故障診斷中，利用振動信號，獲取故障特征是最有效的手段之一。然而以往對于滾動軸承診斷研究主要是基于恒轉速狀態(tài)下對軸承結構組件的基本特征頻率的計算上。但在實際現(xiàn)場應用中軸承的工作環(huán)境是隨著負載、工況不斷地發(fā)生變化的，尤其是現(xiàn)在變頻調速技術的應用，變速變載、低速重載現(xiàn)象非常普遍。由于變量的增加，使得滾動軸承在故障診斷分析時的特征頻率計算變得非常復雜。運行狀態(tài)條件下，要想快速分析判斷、做出預警這是非常困難的事情，即使知道軸承型號，也會因為轉速的不確定，造成各故障頻率的計算誤差非常大，不具備實用價值，存在一定的局限性。而且多數情況，軸承任意組件發(fā)生故障，與其接觸的組件也都會存在不同程度的損傷，軸承均要整體更換。

1 現(xiàn)場監(jiān)測

通過現(xiàn)場實踐應用發(fā)現(xiàn)，很多情況下振動趨勢管理可以更好、更貼合實際工作。監(jiān)測振動趨勢變化，掌握裂化傾向比計算某一特征頻率更具實際意義。軋機在鋼鐵企業(yè)中是一重要設備，由于工況總是處在變速、變載的狀態(tài)下，并存在嚴重的沖擊，軸承的損壞現(xiàn)象是比較嚴重的。因為軋鋼過程中軋材的尺寸、材料、溫度、軋制下壓量、走鋼速度都是變量，要想準確的計算出軋機工作狀態(tài)下軸承組件的特征頻率和確定合理的振值幾乎是不可能的。針對這一問題我們開展了軋機軸承故障傾向化研究。

2 振動趨勢分析

針對某一軋線初軋電機疑似有故障的聯(lián)軸器側軸承，采用能夠連續(xù)進行數據采集的儀器進行了跟蹤監(jiān)測，同時進行了熱成像監(jiān)測。在軋機連續(xù)工作的狀態(tài)下，通過使用壓電式加速度傳感器ICP（Integrated Cir原cuits Piezoelectric，內置壓電傳感器），磁力座固定方式，采集該軸承在整個工作狀態(tài)下的振動加速度信號的波形頻譜進行對比分析。為了進一步驗證軸承損壞情況，在隨后的2個月時間里進行定期跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該軸承有明顯的高頻振動隨時間逐步向低頻區(qū)移動的現(xiàn)象。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，在不同時間所采集的水平方向同一位置的電機前軸承振動加速度波形頻譜進行比較，發(fā)現(xiàn)3個規(guī)律。

圖1 2014-12-31電機前軸承振動加速度波形頻譜

圖2 2015-01-06電機前軸承振動加速度波形頻譜

圖3 2015-01-27電機前軸承振動加速度波形頻譜

圖4 2015-02-04電機前軸承振動加速度波形頻譜

圖5 2015年2月4日 整個軋鋼過程的振動加速度波形

（1）波形中有明顯的沖擊信號，隨著故障不斷的發(fā)展，沖擊現(xiàn)象逐漸模糊，但到了后期又逐漸如圖4變得清晰，沖擊變得越來越密，并出現(xiàn)方向性偏差。這代表著軸承接觸面上的缺陷從開始小范圍較突出逐漸變?yōu)榇竺娣e存在，沖擊現(xiàn)象減弱，但后期隨著缺陷點的嚴重，沖擊又會變得明顯，這時軸承已經使用壽命結束，需要及時更換了。

（2）在每次監(jiān)測中頻譜都存在1 kHz以下成分。幾次數據對比可以看到圖1中（3.5～5）kHz的高頻區(qū)域逐漸前移進入低頻區(qū)，最終與1 kHz以下成分匯合。高頻區(qū)域又出現(xiàn)了新的頻譜成分。在整個測量范圍內都有了頻率成分，說明故障點分布范圍很大。

（3）最終振動頻譜成分均集中到了低頻區(qū)域。如圖4所示2015-02-04多在3 kHz以下。在波形圖中沖擊信號明顯不對稱，無量綱參數歪度逸3、峭度逸25，進一步說明軸承壽命已到盡頭。

圖5記錄了最后一次監(jiān)測記錄，完整的4道軋振動加速度波形信號，可以清楚地看到在每一次軋制的開始與結束時都存在很大的沖擊現(xiàn)象，并能清楚地看到波形信號正負不對稱，負方向明顯大很多，說明軸承剛度不一致，存在方向性偏差，瞬間峭度值超過了3，說明軸承損傷嚴重尤其是外圈滾道。

3 熱成像分析

在進行振動數據采集的同時進行了熱成像的分析，對該電機故障軸承拍攝紅外圖像，分析該軸承的溫度分布情況。正常情況軸承沒問題時，軸承端蓋在等半徑的位置上溫度應該一致，但該軸承端蓋左側下方位置明顯溫度偏高。2015-01-06的最高溫度46.3℃（圖6），端蓋圓周方向臨近溫度41.6℃，差4.7℃。2015-02-04的最高溫度38.9℃（圖7），端蓋圓周方向臨近溫度33.3℃，差5.6℃。

圖6 2015-01-06的熱成像

熱成像的優(yōu)點是通過紅外圖片可以對溫度的分布情況更加直觀，從圖7中可以清楚地看到2月4日的高溫發(fā)亮熱點的區(qū)域較1月6日的更加集中，增加了1℃。

4 結果驗證

將故障軸承下線解體檢查，發(fā)現(xiàn)如圖8、圖 9所示情況，滾動體嚴重磨損，內圈對應滾道接觸面積明顯沿軸向變寬，外圈下滾道對應熱成像高溫區(qū)域已經形成條狀振痕。根據發(fā)展情況判定軸承故障為后期，更換時間非常及時。

圖8 軸承內圈

在日常點檢發(fā)現(xiàn)軸承有輕微異音時，選擇大量程、高分辨率儀器，采用定期連續(xù)采集的方式，可以捕捉到軸承高頻振動成分隨裂化加劇逐漸向低頻區(qū)轉移的現(xiàn)象，再結合無量綱參數歪度、峭度指標，結合熱成像技術及現(xiàn)場聽診等多種手段的綜合分析，對變速變載工況下滾動軸承故障做出準確的提前預警。從發(fā)現(xiàn)問題到下線檢修，做到了2個月的預警時間，這在滾動軸承中后期故障判斷上具有很好的實際應用價值。

圖9 軸承外圈