李 廣

（承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 承德 067000）

隨著我國(guó)鋼鐵行業(yè)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)設(shè)備的不斷投入，產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，在生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備點(diǎn)檢、檢修技術(shù)含量也在不斷提升，對(duì)于設(shè)備存在的隱患也需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行排除，避免造成設(shè)備損壞或生產(chǎn)停車現(xiàn)象，從而減少設(shè)備消耗及降低生產(chǎn)材料消耗，而風(fēng)機(jī)在鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中占有重要地位，軸承作為風(fēng)機(jī)重要組成部分，通過(guò)點(diǎn)檢、監(jiān)測(cè)軸承振動(dòng)、溫度、聲音能夠有效避免大約60%以上的設(shè)備事故，利用現(xiàn)代先進(jìn)的振動(dòng)頻譜分析研究，不僅可以早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患故障，避免惡性事故發(fā)生，同時(shí)還可以從根本上找到設(shè)備發(fā)生的故障點(diǎn)，解決盲目查找問(wèn)題帶來(lái)的維修人員、備件及時(shí)間浪費(fèi)。

1 風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)單介紹

1.1 懸臂式單級(jí)離心風(fēng)機(jī)的工作原理和性能參數(shù)

懸臂式離心風(fēng)機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、進(jìn)風(fēng)口、蝸殼等組成。轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，管道內(nèi)的氣體介質(zhì)進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉輪內(nèi)，受離心力作用而向外運(yùn)動(dòng)，從進(jìn)風(fēng)口管道吸入的氣體介質(zhì)在葉輪入口處折轉(zhuǎn)后，進(jìn)入葉輪葉道內(nèi)部，在葉片作用下獲得動(dòng)能和壓能，從葉輪葉道甩出的氣流進(jìn)入蝸殼，經(jīng)集中、導(dǎo)流后，從風(fēng)機(jī)蝸殼出風(fēng)口排出。

1.2 風(fēng)機(jī)的主要組成結(jié)構(gòu)

鋼鐵企業(yè)所用懸臂式單級(jí)離心風(fēng)機(jī)重心偏重于葉輪一側(cè)，因此懸臂式離心風(fēng)機(jī)的安裝精度相對(duì)于其它風(fēng)機(jī)要求較高。其主要由吸風(fēng)口、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)流筒、蝸殼、進(jìn)出口風(fēng)門、聯(lián)軸器、軸承箱等組成，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組旋轉(zhuǎn)。我廠內(nèi)風(fēng)機(jī)大多數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)百葉窗調(diào)節(jié)風(fēng)量，電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)子組間直接通過(guò)聯(lián)軸器連接，很少采用液力耦合器或減速機(jī)。

2 風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)頻譜分析

風(fēng)機(jī)軸承（軸承座）振動(dòng)是風(fēng)機(jī)運(yùn)行中固定的現(xiàn)象，只要在振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)，不會(huì)造成影響。但是當(dāng)軸承振動(dòng)超標(biāo)后，會(huì)直接造成軸承座或軸承的損壞、各連接螺栓松動(dòng)、風(fēng)機(jī)蝸殼、葉片和風(fēng)道的損壞，甚至導(dǎo)致聯(lián)軸器磨損和電機(jī)故障等，從而導(dǎo)致使風(fēng)機(jī)工作性能降低，甚至根本無(wú)法工作，嚴(yán)重的可能因此造成安全事故，危害人身健康及工作環(huán)境。

2.1 轉(zhuǎn)子不平衡引起風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)頻譜分析

2.1.1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡主要原因現(xiàn)象分析

懸臂式離心風(fēng)機(jī)經(jīng)常發(fā)生的軸承振動(dòng)頻譜中，由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組不平衡引起的軸承振動(dòng)故障占一大部分，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子各部件加工制造缺陷、設(shè)計(jì)缺陷及安裝缺陷是造成不平衡現(xiàn)象的主要因素。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組是由主軸、葉輪、軸承、保護(hù)套、聯(lián)軸器及緊固件等零部件裝配而成的，由于轉(zhuǎn)子零部件在加工過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生的氣孔、沙眼等缺陷，加工造成的誤差和裝配導(dǎo)致的偏心等缺陷，各種附著物的不均勻堆積、緊固件的松脫等缺陷，這些因素均是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不平衡振動(dòng)的根本原因。除此之外，日常運(yùn)行中造成轉(zhuǎn)子不平衡的主要因素有：葉輪出現(xiàn)磨損或腐蝕；葉輪葉片或其它部位粘灰；主軸彎曲變形；葉輪檢修時(shí)不合理拆裝；葉輪材質(zhì)強(qiáng)度不足發(fā)生變形；多次拆裝檢修導(dǎo)致葉輪與主軸配合出現(xiàn)問(wèn)題；葉輪緊固件發(fā)生松動(dòng)等。

2.1.2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起的軸承振動(dòng)頻譜特征

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起的軸承振動(dòng)的特征：振動(dòng)以水平方向處幅值最大，而垂直方向與軸向振動(dòng)很小，并且承力端軸承各方向振動(dòng)大于推力端軸承各方向振動(dòng)；軸承振動(dòng)數(shù)值隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大；軸承振動(dòng)頻率與風(fēng)機(jī)基頻相等；振動(dòng)穩(wěn)定性比較好，對(duì)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷變化不敏感。初步診斷不平衡故障的標(biāo)準(zhǔn)是:振動(dòng)數(shù)值水平方向最大，振動(dòng)頻譜中1 倍頻的幅值異常突出，形成尖峰。

2.2 滾動(dòng)軸承異常引起的振動(dòng)頻譜分析

（1）軸承本體振動(dòng)分析。風(fēng)機(jī)主軸加工時(shí)如果軸頸或軸肩處精度不夠，存在同軸度、圓度或垂直度誤差，主軸存在彎曲變形，則會(huì)造成軸承安裝后發(fā)生傾斜現(xiàn)象，軸承內(nèi)外圈與軸心線不重合，運(yùn)行時(shí)軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生交變的軸向力作用，從而產(chǎn)生軸承振動(dòng)。另外軸承由于潤(rùn)滑不良、異物進(jìn)入、與軸承箱的間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)等，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)磨損、銹蝕、表皮剝落、碎裂等故障后，軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻沖擊，從而造成軸承振動(dòng)超標(biāo)。

（2）滾動(dòng)軸承表面損壞的振動(dòng)頻譜分析。滾動(dòng)軸承振動(dòng)大多數(shù)均為沖擊振動(dòng)，穩(wěn)定性很差，與風(fēng)機(jī)負(fù)荷大小無(wú)關(guān)，在軸承的水平、垂直、軸向三個(gè)方向均可能存在影響，通過(guò)計(jì)算軸承各部位的振動(dòng)間隔頻率，借助振動(dòng)頻譜診斷分析，可以準(zhǔn)確判斷軸承損壞的準(zhǔn)確部位。

軸承缺陷引起的沖擊振動(dòng)間隔頻率計(jì)算方法[1]：

內(nèi)圈：Fi=（D+dcosα）zn/120D；

外圈：Fo=（D-dcosα）zn/120D；

滾動(dòng)體：Fo=（D2-d2cos2α）n/120D；

保持架與內(nèi)圈摩擦：Fci=（D+dcosα）n/120D；

保持架與內(nèi)圈摩擦：Fco=（D-dcosα）n/120D。

式中：D 為滾動(dòng)體中心圓直徑（mm）；

d 為滾動(dòng)體直徑（mm）；

α 為軸承接觸角度；

z 為滾動(dòng)體數(shù)量；

n 為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

除轉(zhuǎn)速n外，D、d、α、z均可根據(jù)軸承型號(hào)由軸承手冊(cè)中查出。

例1：我廠2 臺(tái)懸臂式單級(jí)離心風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為2985r/min，點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)存在異常聲音，且軸承加速度嚴(yán)重超標(biāo)，數(shù)值達(dá)到66m/s2，如圖1、圖2。

圖1 軸承振動(dòng)數(shù)值

圖2 軸承振動(dòng)圖譜

加壓機(jī)軸承為7022ACM，D=140mm，d=18mm，α=25°，z=21，n=2985，經(jīng)計(jì)算：內(nèi)圈約為583Hz；外圈約為460Hz；滾動(dòng)體約為24Hz。

根據(jù)頻譜905HZ 左右時(shí)振動(dòng)最高，接近軸承外圈振動(dòng)間隔頻率的2 倍，由此可初步斷定軸承外圈損壞（圖3）。

圖3 軸承損壞現(xiàn)象

例2：另外一臺(tái)同型號(hào)風(fēng)機(jī)：點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承加速度振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，數(shù)值與頻譜根據(jù)頻譜587HZ 和925HZ 左右時(shí)振動(dòng)最高，接近軸承內(nèi)圈振動(dòng)間隔頻率的1 倍和外圈圈振動(dòng)間隔頻率的2 倍，由此可初步斷定軸承內(nèi)外圈均發(fā)生損壞。

2.3 聯(lián)軸器不對(duì)中引起的軸承振動(dòng)頻譜分析

（1）聯(lián)軸器不對(duì)中原因分析。風(fēng)機(jī)主軸與電機(jī)主軸不對(duì)中主要表現(xiàn)在聯(lián)軸器不對(duì)中，聯(lián)軸器連接過(guò)程中對(duì)中偏差較大，或者聯(lián)軸器因長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生聯(lián)軸器本體或銷軸磨損，風(fēng)機(jī)或電機(jī)基座變形，設(shè)備地基下沉或受溫差變化變形較大，從而引起聯(lián)軸器不對(duì)中現(xiàn)象的發(fā)生，造成風(fēng)機(jī)和電機(jī)軸承均出現(xiàn)振動(dòng)。

（2）聯(lián)軸器不對(duì)中軸承振動(dòng)頻譜特征。聯(lián)軸器不對(duì)中軸承振動(dòng)數(shù)值存在不定性的，隨負(fù)荷增大而變大，空轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)數(shù)值偏小，滿載時(shí)振動(dòng)數(shù)值偏大；振動(dòng)頻譜穩(wěn)定性較好，無(wú)論轉(zhuǎn)速和載荷怎樣變化，頻譜中異常峰值總存在于風(fēng)機(jī)2 倍基頻位置；聯(lián)軸器偏差數(shù)值越大，振動(dòng)數(shù)值越大；如果徑向振動(dòng)大則為聯(lián)軸器徑向不對(duì)中，軸向振動(dòng)大則為聯(lián)軸器軸向不對(duì)中。初步確定因不對(duì)中故障引發(fā)的軸承振動(dòng)頻譜診斷標(biāo)準(zhǔn)是：風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器端軸承振動(dòng)數(shù)值大于風(fēng)機(jī)葉輪端軸承數(shù)值，振動(dòng)頻譜中2 倍頻的幅值尖峰異常突出，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余幅值，且可輔助于電機(jī)前后軸承振動(dòng)頻譜判斷聯(lián)軸器對(duì)中情況則更為準(zhǔn)確。

2.4 機(jī)械松動(dòng)引起的軸承振動(dòng)頻譜分析

（1）機(jī)械松動(dòng)原因分析。機(jī)械松動(dòng)是指設(shè)備裝配、連接部件出現(xiàn)松動(dòng)故障[2]，比如：過(guò)盈配合部件由于磨損等原因形成間隙配合，如聯(lián)軸器與軸的配合、軸承內(nèi)圈與軸的配合、葉輪與軸的配合等等；連接件出現(xiàn)了松動(dòng)，如地腳螺栓、箱體螺栓、其它緊固螺栓出現(xiàn)松動(dòng)、軸承壓緊力小或軸承游隙變大等等。當(dāng)設(shè)備發(fā)生機(jī)械松動(dòng)時(shí)，振動(dòng)數(shù)值存在不穩(wěn)定性，振動(dòng)數(shù)值不斷發(fā)生跳動(dòng)，相位同樣存在不穩(wěn)定或突變現(xiàn)象。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)松動(dòng)故障時(shí)，除利用振動(dòng)幅值進(jìn)行判別外，還可結(jié)合相位差特征，進(jìn)行輔助判斷則更能準(zhǔn)確定位設(shè)備故障原因。設(shè)備松動(dòng)故障引起的軸承振動(dòng)與負(fù)荷的關(guān)系較為明顯，空載時(shí)由于扭力較小，軸承振動(dòng)數(shù)值偏小，一旦風(fēng)機(jī)載荷增大，軸承振動(dòng)數(shù)值就會(huì)逐漸增加。

（2）機(jī)械松動(dòng)引發(fā)的軸承振動(dòng)頻譜特征。風(fēng)機(jī)因機(jī)械松動(dòng)引起的軸承振動(dòng)頻譜特征，由于機(jī)械松動(dòng)直接影響導(dǎo)致的后果可能是放大動(dòng)平衡的振動(dòng)頻率，所以機(jī)械松動(dòng)故障反應(yīng)在軸承振動(dòng)頻譜上單一的基頻振動(dòng)或者是二倍及多倍頻的振動(dòng)。機(jī)械松動(dòng)故障軸承振動(dòng)具有一定的方向性，特別是松動(dòng)方向上的振動(dòng)及軸承間隙變大的向上和軸向振動(dòng)，振動(dòng)數(shù)值表現(xiàn)為垂直或軸向振動(dòng)較大。機(jī)械松動(dòng)故障軸承的振動(dòng)數(shù)值具有一定的周期性變化，比如振動(dòng)從3.0mm/s 慢慢漲到6.0mm/s，又從6.0mm/s 慢慢回到3.0mm/s，形成一個(gè)周期性振動(dòng)。在設(shè)備啟停機(jī)過(guò)程中，振動(dòng)突然變小或變大，類似情況通常表現(xiàn)為轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)。

例如：我廠冷軋除塵風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1490r/min，其基頻約為25HZ，點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪端軸承振動(dòng)數(shù)值為9mm/s，聯(lián)軸器端軸承為3mm/s，葉輪端軸承數(shù)值嚴(yán)重超標(biāo)經(jīng)圖譜檢測(cè)。頻譜顯示風(fēng)機(jī)軸承于2 倍頻振動(dòng)最高，且伴隨1 倍、3 倍、4 倍頻振動(dòng)，由于此風(fēng)機(jī)連州器端軸承振動(dòng)值符合標(biāo)準(zhǔn)，且葉輪端軸承是聯(lián)軸器端軸承振動(dòng)量的3 倍，因此可排除聯(lián)軸器不對(duì)中引發(fā)的振動(dòng)，因此根據(jù)圖譜可判斷為由于風(fēng)機(jī)振動(dòng)松動(dòng)引發(fā)的振動(dòng)，且為多處松動(dòng)引起。經(jīng)檢查排除發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)地腳、風(fēng)機(jī)軸承箱體、風(fēng)機(jī)葉輪端軸承、多處發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。

3 結(jié)論

隨著生產(chǎn)需求的不斷提升，設(shè)備使用率相應(yīng)提高，維修制度也不斷加強(qiáng)，合理的預(yù)知設(shè)備隱患、預(yù)知維修將變?yōu)橹鲗?dǎo)，因而軸承故障頻譜診斷技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，它不僅對(duì)設(shè)備是否正常做出簡(jiǎn)單診斷，同時(shí)還對(duì)設(shè)備故障原因、部位和嚴(yán)重程度做出判斷，為設(shè)備管理維修決策提供依據(jù)。