李 超，尹慶凱，馮浩源

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

磨 機(jī)是選礦流程中的關(guān)鍵設(shè)備，且日益向大型化方向發(fā)展。大型重載減速器作為傳動(dòng)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]，其軸承承受更大的載荷，所以軸承故障也是減速器失效的主要原因之一，其損壞導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)將產(chǎn)生較長(zhǎng)的維修時(shí)間和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。減速器軸承的定期精密振動(dòng)點(diǎn)檢是設(shè)備管理部門(mén)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作內(nèi)容，目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期故障，制定維修計(jì)劃，避免非計(jì)劃停機(jī)。

重載滾動(dòng)軸承故障所引起的振動(dòng)信號(hào)成分能量在信號(hào)總能量中所占比例很小，容易被設(shè)備正常的寬頻振動(dòng)信號(hào)及其他背景噪聲所淹沒(méi)，而難以分離識(shí)別，這對(duì)判斷軸承故障增加了很大難度。筆者利用先進(jìn)的 PeakVue技術(shù)[3]，并將該信號(hào)與自相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，以圓周波形圖形式直觀地顯示振動(dòng)發(fā)生過(guò)程，可有效地采集與分離出故障信號(hào)，并準(zhǔn)確判斷故障的嚴(yán)重程度，識(shí)別軸承故障部位，推測(cè)具體的損壞形式，為減速器軸承有計(jì)劃的更換提供可靠的依據(jù)。

1 PeakVue技術(shù)介紹

1.1 基礎(chǔ)原理[4]

當(dāng)物體之間發(fā)生撞擊時(shí)，其產(chǎn)生的能量在短時(shí)間內(nèi)被存儲(chǔ)在很小的一個(gè)區(qū)域，該能量將擾亂設(shè)備的微觀平衡狀態(tài)，通過(guò)應(yīng)力波的形式在金屬內(nèi)部傳播，并在金屬或設(shè)備表面產(chǎn)生小而短的漣漪，具有足夠帶寬和靈敏度的傳感器才可捕捉到該振動(dòng)信息。

通過(guò)研究彈性體接觸的赫茲理論和應(yīng)力波在金屬內(nèi)傳播的波理論，可以分析應(yīng)力波的產(chǎn)生過(guò)程和能量分布頻段。如圖 1所示，當(dāng)金屬球撞擊金屬板時(shí)，在其表面產(chǎn)生應(yīng)力波，根據(jù)赫茲理論有

式中：λ為應(yīng)力波在被撞擊物件上的波形長(zhǎng)度；C為波在被撞擊物件上的傳播速度；F為被激起的應(yīng)力波PeakVue的頻率。

圖1 金屬球撞擊金屬板表面產(chǎn)生應(yīng)力波Fig.1 Stress ripple due to steel ball hitting steel plate

研究表明，沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波能量頻率分布范圍為 10～ 30 kHz。

1.2 應(yīng)力波的采集與分析

具有合適的頻率響應(yīng)范圍和靈敏度的傳感器均可采集到旋轉(zhuǎn)機(jī)械中因部件故障撞擊而產(chǎn)生的應(yīng)力波。實(shí)際應(yīng)用中寬帶寬和靈敏度為 100 mV/g的加速度傳感器可滿(mǎn)足大部分 PeakVue測(cè)量的使用要求。

根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的 2倍時(shí)，可完整地保留原始信號(hào)中的信息，一般應(yīng)保證采樣頻率為信號(hào)中最高頻率的 2.56～4.00倍。如圖 2所示，PeakVue首先采用固定 10 kHz高速采樣技術(shù)，并使用高通濾波器，從振動(dòng)時(shí)域波形中分離出應(yīng)力波的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理技術(shù)，保留脈沖周期和真實(shí)的幅值，得到 PeakVue時(shí)域波形[3]。

圖2 PeakVue技術(shù)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理流程Fig.2 Flowchart of vibrating data acquisition and processing by PeakVue technology

共振解調(diào)技術(shù)也常用于軸承故障的分析診斷中，其振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理流程如圖 3所示。它與PeakVue技術(shù)在數(shù)據(jù)采樣速度和部分處理過(guò)程上區(qū)別較大，這也是 PeakVue技術(shù)在分析故障時(shí)明顯優(yōu)于共振解調(diào)技術(shù)的原因。

圖3 共振解調(diào)技術(shù)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理流程Fig.3 Flowchart of vibrating data acquisition and processing by resonance demodulation technology

特別是在軸承早期故障診斷時(shí)，PeakVue使用的高速采樣技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)獲取和保持應(yīng)力波的沖擊峰值 (見(jiàn)圖 4)，而共振解調(diào)技術(shù)過(guò)程響應(yīng)慢，只能獲取沖擊的周期，無(wú)法得到?jīng)_擊幅值的全面信息 (見(jiàn)圖5)。

圖4 PeakVue技術(shù)捕獲的信號(hào)Fig.4 Signal captured by PeakVue technology

圖5 共振解調(diào)技術(shù)捕獲的信號(hào)Fig.5 Signal captured by resonance demodulation technology

在傳統(tǒng)的解調(diào)頻譜中，未有效過(guò)濾的噪聲信號(hào)會(huì)掩蓋與缺陷相關(guān)的峰值信號(hào)，因此難以提供實(shí)際的缺陷信息。PeakVue時(shí)域波形則真實(shí)反映了設(shè)備的沖擊，從時(shí)域波形的幅值就可以判斷出故障的嚴(yán)重程度，跟蹤其趨勢(shì)可以推測(cè)何時(shí)進(jìn)行有計(jì)劃的維修。

2 自相關(guān)技術(shù)

對(duì)于 2個(gè)不同時(shí)刻的信號(hào)x(t) 和x(t+τ)，其自相關(guān)函數(shù)定義為[4]

在處理時(shí)間采集的信號(hào)時(shí)，需要進(jìn)行離散化，

式中：T為采樣長(zhǎng)度；M為采樣點(diǎn)數(shù)；n為采樣數(shù)據(jù)間隔。

它研究了一個(gè)信號(hào)不同時(shí)刻的線性關(guān)系或相似程度，并剔除原信號(hào)中的隨機(jī)成分，保留周期成分。通過(guò)自相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)的周期特點(diǎn)。

自相關(guān)函數(shù)值對(duì)分析傳統(tǒng)振動(dòng)無(wú)甚裨益，但在分析基于 PeakVue技術(shù)的機(jī)器沖擊數(shù)據(jù)時(shí)則非常有用。自相關(guān)函數(shù)值通常會(huì)返回 0～ 1之間，函數(shù)值接近0，表明信號(hào)具有高度隨機(jī)性；函數(shù)值大于 0.25，表明沖擊信號(hào)的周期性明顯，或沖擊由機(jī)械故障引發(fā)。

3 圓周波形圖

振動(dòng)時(shí)域波形圖一般在平面直角坐標(biāo)系內(nèi)顯示，其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)表示幅值；圓周波形圖則在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間周期將一個(gè)時(shí)域波形在圓周上顯示，如圖 6所示。它不同于軸心軌跡圖，軸心軌跡圖是利用安裝在軸承座上相互垂直的 2支位移傳感器，對(duì)軸頸的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量后得到的；而圓周波形圖通常顯示速度或加速度振動(dòng)信號(hào)，只需通過(guò) 1支傳感器獲取的信號(hào)即可繪制。

圖6 某齒輪傳動(dòng)軸承振動(dòng)時(shí)域波形及圓周波形圖Fig.6 Time-domain waveform and circular oscillogram while bearing vibrating on gear transmission

圓周波形圖是以圓周顯示時(shí)域波形，直觀地呈現(xiàn)振動(dòng)幅值、周期和發(fā)生振動(dòng)的相對(duì)位置信息。由于PeakVue技術(shù)獲取的振動(dòng)信號(hào)具有保持沖擊峰值的特點(diǎn)，結(jié)合圓周波形圖可挖掘齒輪、軸承等更全面的振動(dòng)信號(hào)信息，分析出故障位置和損壞形式。

4 應(yīng)用案例

某選廠大型球磨機(jī)采用異步電動(dòng)機(jī)+減速器+小齒輪軸組的雙邊驅(qū)動(dòng)形式。減速器高速軸轉(zhuǎn)速約為750 r/min，低速軸轉(zhuǎn)速約為 148 r/min，單個(gè)減速器傳遞的額定功率為 7 800 kW。減速器軸承的布置形式如圖 7所示，軸承故障頻率如表 1所列。

圖7 減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置示意Fig.7 Layout sketch of gearbox inside

表1 減速器高速軸軸承故障特征頻率Tab.1 Fault feature frequency of high-speed bearing of gearbox Hz

對(duì)于轉(zhuǎn)速小于 900 r/min的設(shè)備，艾默生公司推薦的 PeakVue時(shí)域波形振幅報(bào)警值如圖 8所示[4]。該減速器高速軸轉(zhuǎn)速在 750 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)圈滾道、外圈滾道和滾動(dòng)體故障報(bào)警值如表 2所列。

圖8 PeakVue時(shí)域波形信號(hào)幅值推薦報(bào)警值Fig.8 Recommended alarming limit of PeakVue timedomain waveform amplitude

表2 軸承特征時(shí)域幅值的指導(dǎo)報(bào)警值Tab.2 Recommended alarming limit of bearing feature time-domain amplitude

在定期精密點(diǎn)檢過(guò)程中，對(duì)比 2017年 5月 14日與 2016年 12月 13日的高速軸非驅(qū)動(dòng)端軸承 PeakVue信號(hào)水平方向頻域圖 (見(jiàn)圖 9)，發(fā)現(xiàn)存在周期性的振動(dòng)特征。經(jīng)分析該周期性振動(dòng)為軸承內(nèi)圈滾道故障頻率的 1倍、2倍、3倍和 4倍，其周邊存在高速軸轉(zhuǎn)速的邊頻帶，如圖 10所示。初步判斷為軸承內(nèi)圈滾道出現(xiàn)損壞。

圖9 高速軸軸承水平方向 PeakVue信號(hào)頻域圖對(duì)比Fig.9 Comparison of PeakVue signal spectrum in horizontal direction of HS bearing

圖10 2017年 5月 14日水平振動(dòng)信號(hào)頻譜圖分析Fig.10 Spectrum analysis of horizontal vibration signal on 2017-05-14

分析 2017年 5月 14日該軸承的 PeakVue時(shí)域信號(hào) (見(jiàn)圖 11) 可發(fā)現(xiàn)明顯的沖擊特征。對(duì)其進(jìn)行自相關(guān)降噪后，發(fā)現(xiàn)高速軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，均出現(xiàn)若干不同強(qiáng)度的沖擊點(diǎn)，每個(gè)沖擊點(diǎn)的間隔時(shí)間為 0.008 98 s，對(duì)應(yīng)軸承內(nèi)圈滾道故障頻率 111.30 Hz，如圖 12所示。

圖12 自相關(guān)后的 PeakVue時(shí)域波形圖Fig.12 PeakVue time-domain waveform after autocorrelation

通過(guò)自相關(guān)技術(shù)處理后的 PeakVue時(shí)域波形在圓周波形圖內(nèi)顯示，如圖 13所示。圓周時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)置為軸承內(nèi)圈滾道故障頻率的整數(shù)倍且最接近內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間。該軸承內(nèi)圈滾道故障特征頻率為內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的 8.89倍 (高速軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，軸承內(nèi)圈滾道某一固定點(diǎn)與約 8.89個(gè)滾子接觸)，因此圓周時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置為 9×1/111.30 Hz=0.080 82 s，與軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)周期 1/12.5 Hz=0.08 s非常接近，可以近似認(rèn)為軸承內(nèi)圈與滾子的振動(dòng)發(fā)生在軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)。

圖13 軸承承載區(qū)示意與振動(dòng)圓周波形圖對(duì)比Fig.13 Comparison between bearing load distribution zone and vibration circular oscillogram

圖13左側(cè)為軸承受力承載區(qū)域示意[6]，對(duì)比右側(cè)圓周波形圖可以發(fā)現(xiàn) 4個(gè)振動(dòng)幅值高點(diǎn)均發(fā)生在承載區(qū)域內(nèi)，且可以推測(cè)內(nèi)圈滾道只有一處損壞；當(dāng)軸承內(nèi)圈滾道損壞處轉(zhuǎn)出非承載區(qū)域后，由于剩余 4.89次接觸產(chǎn)生的振動(dòng)非常小，經(jīng)過(guò)自相關(guān)降噪處理后削弱，無(wú)法在圓周波形圖中明顯顯示。因此，圓周波形圖從另一個(gè)視角以更加形象和直觀的方式展現(xiàn)了故障振動(dòng)的發(fā)生過(guò)程，便于準(zhǔn)確判斷故障部位和損壞細(xì)節(jié)。

經(jīng)分析確定該軸承內(nèi)圈滾道表面有一處出現(xiàn)損壞，由于時(shí)域信號(hào)的幅值為 0.372g，遠(yuǎn)小于指導(dǎo)報(bào)警值 2.55g，可推斷為輕微損壞。在檢查和確認(rèn)潤(rùn)滑系統(tǒng)工作正常后，定期監(jiān)測(cè)該處振動(dòng)情況，如發(fā)現(xiàn)振動(dòng)繼續(xù)惡化，則擇機(jī)更換損壞軸承。

表3記錄了跟蹤期間軸承水平方向振動(dòng) PeakVue信號(hào)、加速度和速度的幅值。發(fā)現(xiàn) 2017年 7月 12日PeakVue信號(hào)幅值為 0.77g，在 2017年 9月 22日增加至 2.15g，且即將達(dá)到 2.55g的報(bào)警值。為了避免發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)，決定利用 2017年 10月維修窗口對(duì)該減速器軸承進(jìn)行了更換。更換后，PeakVue信號(hào)幅值降低至 0.35g，且頻譜圖中原故障頻率及諧波均消失，如圖 14所示。

表3 軸承水平方向振動(dòng)信號(hào)幅值跟蹤記錄Tab.3 Amplitude record of bearing vibrating signal in horizontal direction

圖14 故障軸承更換前后 PeakVue信號(hào)頻譜對(duì)比Fig.14 Comparison of PeakVue signal spectrum before and after replacement of faulty bearing

將拆除的軸承發(fā)往 SKF維護(hù)中心進(jìn)行故障分析。磁粉探傷檢查發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)圈滾道表面有明顯的一道剝落痕跡 (見(jiàn)圖 15)，這與以上對(duì)軸承故障部位、損壞情況的分析及嚴(yán)重程度的推測(cè)結(jié)果非常一致。

圖15 內(nèi)圈滾道磁粉探傷結(jié)果及局部細(xì)節(jié)放大Fig.15 MPI results of inner race and local enlarged detail

另外，回顧整個(gè)跟蹤監(jiān)測(cè)期間的記錄，將表 3內(nèi)的數(shù)據(jù)繪制成趨勢(shì)圖，如圖 16所示。2017年 9月 22日 PeakVue信號(hào)幅值突然由 0.77g增加至 2.15g，增幅為 179%，但是加速度和速度值分別僅變化了 17%和 3%。同時(shí)，根據(jù) ISO 10816-3中振動(dòng)烈度指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，良好狀態(tài)設(shè)備的速度有效值低于 2.8 mm/s，雖然此故障軸承的速度有效值均小于 1 mm/s，但實(shí)際情況卻是軸承已經(jīng)出現(xiàn)了故障。而且，在加速度和速度頻譜圖中也沒(méi)有顯示軸承內(nèi)圈故障信號(hào)。由此可見(jiàn)，常規(guī)方式采集的速度和加速度信號(hào)的幅值和頻譜均無(wú)法反映出軸承故障特征，也就意味著選廠中控室內(nèi)控制界面上的速度或加速度幅值無(wú)法對(duì)軸承故障起到預(yù)警作用。

圖16 軸承 PeakVue信號(hào)、加速度和速度信號(hào)幅值趨勢(shì)Fig.16 Tendency of bearing PeakVue signal,acceleration and velocity signal amplitude

5 結(jié)論

在對(duì)大型磨機(jī)減速器軸承故障診斷的實(shí)際應(yīng)用中，PeakVue信號(hào)可有效地分離軸承振動(dòng)信息，并顯示軸承故障的嚴(yán)重程度，結(jié)合自相關(guān)技術(shù)可準(zhǔn)確地判斷軸承故障的類(lèi)型，最后以圓周波形圖推測(cè)具體損壞形式，了解故障產(chǎn)生振動(dòng)的過(guò)程，并進(jìn)一步精確判斷故障類(lèi)型，評(píng)估軸承當(dāng)前狀態(tài)。

同時(shí)，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，僅僅是速度和加速度信號(hào)的幅值無(wú)法對(duì)軸承故障提供預(yù)警。因此，定期使用 PeakVue技術(shù)對(duì)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)結(jié)合以上方法綜合分析判斷軸承狀態(tài)是非常重要和有必要的，這樣不僅能夠避免設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，而且可以做到基于狀態(tài)的計(jì)劃性維護(hù)，降低設(shè)備維護(hù)成本。