倪 圓，古成中，羅日榮，任富山

(91663部隊(duì)，山東 青島 266000)

電動(dòng)消防泵作為船舶的重要裝備之一，其作用是為船舶提供消防滅火用水，同時(shí)還可為部分設(shè)備提供冷卻用水[1]。電動(dòng)消防泵一般由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心式水泵組成，滾動(dòng)軸承是其重要組成部分，同時(shí)也是易損部件。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生的故障中大約有30%是由滾動(dòng)軸承導(dǎo)致的[2]，當(dāng)滾動(dòng)軸承存在例如疲勞剝落、裂紋、磨損等缺陷或滾道落入異物時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊，引起機(jī)體振動(dòng)，因此可通過(guò)檢測(cè)沖擊脈沖的強(qiáng)弱來(lái)判斷軸承的狀態(tài)以及故障程度[3-4]。

另外，軸承故障產(chǎn)生的沖擊會(huì)激起設(shè)備的高頻固有振動(dòng)，利用帶通濾波器(中心頻率近似等于共振頻率)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，并對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)譜分析便能識(shí)別出軸承故障部位和嚴(yán)重程度。這種方法需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇合適的帶通濾波器，如何選擇正確的濾波頻帶是軸承故障診斷的關(guān)鍵。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)是一種新的具有自適應(yīng)的信號(hào)處理方法，它可以根據(jù)軸承故障信號(hào)自適應(yīng)選擇濾波頻帶及分辨率，從而克服了傳統(tǒng)包絡(luò)分析中選擇濾波中心頻率和帶寬的難題[5]。

1 電動(dòng)消防泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

1.1 電動(dòng)消防泵振動(dòng)烈度監(jiān)測(cè)

目前，電動(dòng)消防泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)價(jià)通常參照GB/T 6075.3-2011《機(jī)械振動(dòng)在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量評(píng)價(jià)機(jī)器的振動(dòng) 第3部分：額定功率大于15 kW，額定轉(zhuǎn)速在120～15 000 r/min之間的在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的工業(yè)機(jī)器》[6](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》)進(jìn)行。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求，通常測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度有效值，也稱(chēng)振動(dòng)烈度。測(cè)點(diǎn)選擇電機(jī)輸入端軸承、電機(jī)輸出端軸承以及泵端軸承處，分別測(cè)量垂、橫、軸3個(gè)方向的振動(dòng)烈度。通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)能夠判斷電動(dòng)消防泵的振動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于柔性安裝的大于15 kW小于300 kW的某電動(dòng)消防泵，其振動(dòng)狀態(tài)評(píng)價(jià)區(qū)域如表1所示。

表1 振動(dòng)狀態(tài)評(píng)價(jià)區(qū)域

其中，區(qū)域A：新交付的機(jī)器振動(dòng)通常落在該區(qū)域。區(qū)域B：機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域通常認(rèn)為可無(wú)限制長(zhǎng)期運(yùn)行。區(qū)域C：機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域一般不適宜作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，通常機(jī)器可在此狀態(tài)下運(yùn)行有限時(shí)間，直到采取補(bǔ)救措施的合適時(shí)機(jī)為止。區(qū)域D：機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域通常認(rèn)為其振動(dòng)烈度足以導(dǎo)致機(jī)器損壞。

1.2 電動(dòng)消防泵軸承沖擊脈監(jiān)測(cè)

軸承故障產(chǎn)生的沖擊會(huì)激起設(shè)備的高頻固有振動(dòng)，SPM根據(jù)軸承故障產(chǎn)生沖擊的幅值來(lái)診斷軸承故障，它是滾動(dòng)軸承失效診斷的主要方法之一[4]。進(jìn)行SPM監(jiān)測(cè)時(shí)，滾動(dòng)軸承狀態(tài)通過(guò)絕對(duì)沖擊脈沖值(dBsv)、初始沖擊脈沖值(dBi)、標(biāo)準(zhǔn)沖擊脈沖值(dBn)、最大沖擊脈沖值(dBm)和地毯沖擊脈沖值(dBc)來(lái)表示。它們的關(guān)系為：

dBn=dBsv-dBi,

(1)

式中，dBi代表軸承的背景沖擊脈沖值，它與軸承內(nèi)徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)。通常使用標(biāo)準(zhǔn)化的dBm和dBc來(lái)判斷滾動(dòng)軸承狀態(tài)。當(dāng)dBm≤20 dB，且dBc的值在5 dB～10 dB之間時(shí)，滾動(dòng)軸承狀態(tài)良好；當(dāng)20 dB35 dB，dBm且和dBc之間的差值較大時(shí)，滾動(dòng)軸承處于故障狀態(tài)。

2 EMD包絡(luò)譜分析方法

EMD分解是將信號(hào)分解為有限個(gè)頻率由高到低的不同固有模態(tài)分量(IMF)之和[7]，即：

(2)

式中，x(t)為原始信號(hào)；i為IMF分量的階數(shù)；ci(t)為第i階固有模態(tài)(IMF)分量，rn(t)為余項(xiàng)。

由于每個(gè)IMF分量代表了頻率由高到低不同頻率段的振動(dòng)特征，因此EMD分解具有自適應(yīng)選頻濾波功能。通過(guò)對(duì)各階IMF分量進(jìn)行包絡(luò)譜分析，便可得到軸承故障特征頻率。包絡(luò)譜分析首先進(jìn)行希爾伯特(Hilbert)包絡(luò)解調(diào)，通過(guò)對(duì)IMF信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，得到：

(3)

式中：ci(τ)為第i階固有模態(tài)(IMF)分量進(jìn)行Hilbert變換時(shí)的積分量，τ代表積分分量。

隨后構(gòu)造解析信號(hào)z(t)：

z(t)=ci(t)+jH[ci(t)],

(4)

式中，j為虛數(shù)向量。

對(duì)解析信號(hào)z(t)求模，得到其包絡(luò)信號(hào)B(t)：

(5)

最終對(duì)包絡(luò)信號(hào)B(t)進(jìn)行傅里葉變換便可得到信號(hào)的包絡(luò)譜。

3 電動(dòng)消防泵軸承故障診斷

3.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

某電動(dòng)消防泵在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)噪聲異常，需對(duì)該異常進(jìn)行故障診斷。本文首先采用德國(guó)普盧福公司生產(chǎn)的振動(dòng)分析儀(VIBXPERT II)對(duì)電動(dòng)消防泵進(jìn)行振動(dòng)烈度監(jiān)測(cè)，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)點(diǎn)分別選擇電機(jī)自由端軸承、電機(jī)輸出端軸和泵端軸承處，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3個(gè)方向的振動(dòng)速度有效值，測(cè)量頻率帶寬為10～1 000 Hz，通過(guò)速度有效值來(lái)評(píng)定整機(jī)振動(dòng)狀態(tài)。

由于電動(dòng)消防泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在明顯的異常噪聲，根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，該噪聲很有可能來(lái)自軸承。因此，本文同時(shí)采用瑞典SPM公司生產(chǎn)的軸承沖擊脈沖儀(T30)測(cè)量各軸承處的沖擊脈沖值，用于判斷軸承的狀態(tài)。消防泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 電動(dòng)消防泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，電機(jī)自由端、電機(jī)輸出端軸承處振動(dòng)速度有效值最大為3.24 mm/s，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，該振動(dòng)值處于B區(qū)(可無(wú)限制長(zhǎng)期運(yùn)行區(qū)域)；泵輸入端軸承處的振動(dòng)速度有效值最大為6.20 mm/s，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，該振動(dòng)值已處于C區(qū)(不適宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行區(qū)域)。

通過(guò)軸承沖擊脈沖監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)自由端軸承dBm、dBc為24 dB、10 dB，處于良好狀態(tài)；電機(jī)輸出端軸承dBm、dBc為32 dB、19 dB，處于報(bào)警狀態(tài)；泵輸入端軸承dBm、dBc為48 dB、32 dB，處于故障狀態(tài)。

由以上分析可知，電動(dòng)消防泵泵輸入端軸承可能存在故障，從而導(dǎo)致軸承沖擊脈沖值和振動(dòng)烈度偏大。為此，采用VIBXPERT II采集泵輸入端軸承處的時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步診斷軸承故障原因。

3.2 軸承故障特征頻率

滾動(dòng)軸承主要由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和固定滾動(dòng)體的保持架4部分組成。滾動(dòng)軸承的故障特征頻率主要有外圈故障頻率fo、內(nèi)圈故障頻率fi、保持架故障頻率ft和滾動(dòng)體故障頻率fb。故障頻率的計(jì)算公式分別如下[3]。

保持架故障頻率：

(6)

外圈故障頻率：

(7)

內(nèi)圈故障頻率：

(8)

滾動(dòng)體故障頻率：

(9)

式中，Z為滾動(dòng)體的數(shù)量；ni為內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度；d為滾動(dòng)體直徑；D為節(jié)圓直徑；α為接觸角。

某型電動(dòng)消防泵采用某公司的6311軸承，該軸承是深溝滾珠球軸承，內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度ni=2 975 r/min，滾動(dòng)體直徑D=20.638 mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=8，節(jié)圓直徑D=88.5 mm。經(jīng)過(guò)計(jì)算，該軸承保持架故障頻率ft=19 Hz，外圈故障頻率fo=152 Hz，內(nèi)圈故障頻率為fi=244.6 Hz，滾動(dòng)體故障頻率fb=100.5 Hz。

3.3 軸承故障診斷分析

利用采集到的電動(dòng)消防泵軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行頻譜分析，得到泵軸承加速度頻譜如圖1所示。

圖1 泵軸承加速度頻譜

由圖1知，在1 404 Hz及其倍頻(2 807 Hz)處存在較大的峰值，并且在峰值附近存在明顯的調(diào)制邊頻帶，這與軸承故障沖擊引起的高頻共振現(xiàn)象吻合。固有模態(tài)分量階數(shù)越高，時(shí)間尺度越大，對(duì)應(yīng)的頻率越低。由于軸承沖擊引起的結(jié)構(gòu)共振一般發(fā)生在高頻段，因此僅對(duì)該軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行前4階EMD分解，得到泵軸承前4階固有模態(tài)(IMF)分量如圖2所示。

圖2 泵軸承前4階固有模態(tài)(IMF)分量

對(duì)前4階IMF分量進(jìn)行Hilbert解調(diào)分析，得到IMF分量包絡(luò)譜如圖3所示。

圖3 泵軸承固有模態(tài)分量包絡(luò)譜

由圖3可知，IMF1分量包絡(luò)譜中152 Hz及304 Hz(倍頻)處的頻率分量明顯，IMF3和IMF4分量包絡(luò)譜中100 Hz處頻率分量明顯。對(duì)照軸承故障特征頻率可知，軸承外圈以及滾動(dòng)體可能存在損傷。

該船進(jìn)廠后對(duì)故障電動(dòng)消防泵進(jìn)行了拆檢。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，泵端軸承外圈損傷，并且滾動(dòng)體出現(xiàn)輕微磨損。經(jīng)更換故障軸承轉(zhuǎn)子后，電動(dòng)消防泵恢復(fù)正常運(yùn)行，振動(dòng)和噪聲大大降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)烈度和軸承沖擊脈沖監(jiān)測(cè)，可以有效判斷電動(dòng)消防泵以及軸承振動(dòng)狀態(tài)，初步定位故障部位，EMD包絡(luò)譜分析相對(duì)于傳統(tǒng)帶通濾波的包絡(luò)解調(diào)分析方法，具有自適應(yīng)的特點(diǎn)，能快速準(zhǔn)確診斷電動(dòng)消防泵軸承外圈及滾動(dòng)體故障。