劉思橋，左學(xué)謙

（武昌首義學(xué)院機電與自動化學(xué)院，湖北武漢 430064）

0 引言

旋轉(zhuǎn)機械是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的機械設(shè)備，其種類繁多，在發(fā)電機、汽輪機、離心式壓縮機、水泵、通風(fēng)機及電機等設(shè)備中均有應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)機械的主要功能由旋轉(zhuǎn)動作完成，轉(zhuǎn)子是其中最主要的部件[1]。旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障是指機械的功能失常，即動態(tài)性能惡化，不符合技術(shù)要求[2]，例如機械運行失穩(wěn)、異常振動、噪聲，機械工作轉(zhuǎn)速、輸出功率以及介質(zhì)溫度、壓力、流量的異常變化等。

機械故障的類型和原因不同，反映出的信息也不同。根據(jù)機械故障反映出的特征信息，可以對機械故障進行診斷[3]。滾動軸承多應(yīng)用在中小型旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，用于連接轉(zhuǎn)動與靜止部件，支撐軸系等轉(zhuǎn)動部件，并承受設(shè)備的負(fù)載。本文針對旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備中容易發(fā)生故障的滾動軸承進行狀態(tài)診斷，其中重要的特征信號是機械的異常振動。振動信號的幅值域、頻率域和時間域能實時地反映出設(shè)備故障信息[4]，故采用振動分析法較為簡單靈活，可靠性較高。

1 振動故障診斷流程

隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，生產(chǎn)過程中設(shè)備的數(shù)量不斷增多，工作強度不斷增大，生產(chǎn)效率、自動化程度也越來越高。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，往往會因為其具有較高的精度和機械復(fù)雜程度，以及在維修時受到配件、人員、技術(shù)條件等多方面限制，使拆卸工作時有所顧忌，導(dǎo)致難以迅速確定故障源，不能及時、精準(zhǔn)地修復(fù)進行[5]。但是故障如不及時發(fā)現(xiàn)處理，不僅會影響生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟損失，甚至導(dǎo)致整個設(shè)備及相關(guān)環(huán)境的破壞。振動信號普遍存在于運轉(zhuǎn)的機械設(shè)備中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的內(nèi)部發(fā)生異常時，一般都會通過振動和工作性能的變化的形式反映出來。

故障是指機械設(shè)備喪失其原來所規(guī)定的性能或狀態(tài)。通常把設(shè)備在運行中所發(fā)生的狀態(tài)異常、缺陷、性能惡化以及事故前期的狀態(tài)都統(tǒng)稱為故障，有時也把事故直接歸為故障[6]。

故障診斷則是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、運行參數(shù)、歷史狀況，對可能發(fā)生的故障進行分析、預(yù)報，對已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、部位及趨勢，對維護設(shè)備的正常運行和合理檢修提供正確的技術(shù)支持[7]。振動故障診斷流程如圖1 所示。

圖1 振動故障診斷流程

2 滾動軸承故障分析

2.1 基本結(jié)構(gòu)

滾動軸承是將運轉(zhuǎn)的軸與軸承座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密機械元件，一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。內(nèi)圈的作用是與軸相配合，并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體借助保持架均勻地分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀、大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，引導(dǎo)滾動體旋轉(zhuǎn)，并起潤滑作用[8-9]。滾動軸承的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 滾動軸承基本結(jié)構(gòu)

2.2 滾動軸承故障特征頻率

滾動軸承故障一般在發(fā)展到滾動體和保持架出現(xiàn)故障之前，首先出現(xiàn)的是內(nèi)圈或外圈故障頻率。滾動軸承故障的特征頻率就是軸承故障產(chǎn)生時的振動頻率[10]。滾動軸承故障特征頻率如圖3 所示，其中：

圖3 滾動軸承故障特征頻率

（1）外圈故障頻率BPFO 是1 s 外圈上某一損傷點與滾動體接觸的次數(shù)[11]，計算公式為：

（2）內(nèi)圈故障頻率BPFI 是1 s 內(nèi)圈上某一損傷點與滾動體接觸的次數(shù)，計算公式為：

（3）滾動體故障頻率BSF 是1 s 滾動體上某一損傷點與內(nèi)圈或外圈接觸的次數(shù)，計算公式為：

（4）保持架故障頻率FTFO 是1 s 保持架上某一損傷點相對于外圈旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)[12]，計算公式為：

式中，n 為滾動體數(shù)量；N 為軸的轉(zhuǎn)速。

綜上分析可知：①外圈特征頻率是保持架特征頻率的整數(shù)倍；②內(nèi)圈+外圈=轉(zhuǎn)頻整數(shù)倍。

2.3 常見故障部位

滾動軸承是運轉(zhuǎn)設(shè)備中最重要的部件，其狀態(tài)是否良好直接影響設(shè)備的運轉(zhuǎn)率[13]。滾動軸承的常見故障包括：內(nèi)滾道故障、外滾道故障、滾動體故障、保持架碰外環(huán)故障和保持架碰內(nèi)環(huán)故障[14]。故障部位信號特征為：

（1）外圈故障的信號特征：時域波形中存在明顯的周期性較均勻沖擊[15-16]，沖擊間隔頻率為外圈故障特征頻率，幅值無調(diào)制現(xiàn)象，基本上處于同一水平；頻譜中存在外圈故障特征頻率及其諧頻，無邊帶現(xiàn)象。

（2）內(nèi)圈故障的信號特征：時域波形中存在規(guī)律性的小間隔沖擊，大間隔的周期性調(diào)制；頻譜中存在內(nèi)圈故障特征頻率及其諧頻，并伴有轉(zhuǎn)頻邊帶或者保持架邊帶。

（3）滾動體故障的信號特征：時域波形中滾動體故障與內(nèi)圈故障類似，會出現(xiàn)保持架特征頻率的調(diào)制現(xiàn)象，但是調(diào)制信號的頻率不同；頻譜/包絡(luò)譜中存在滾動體故障特征頻率及其諧頻，并伴有保持架邊帶。

（4）保持架故障的信號特征：時域波形中存在周期性沖擊，沖擊間隔頻率為保持架故障特征頻率；頻譜/包絡(luò)譜中存在保持架故障特征頻率及其諧頻，無其他故障現(xiàn)象。

當(dāng)頻譜中的故障特征頻率被淹沒時，通過包絡(luò)解調(diào)可清晰地發(fā)現(xiàn)保持架、滾動體特征。

3 實例分析

旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的振動信號是其綜合性能的直接反映，據(jù)統(tǒng)計70%以上的故障都是以振動形式表現(xiàn)出來的[17]。因此，通過振動監(jiān)測可以及時了解該設(shè)備的健康狀態(tài)，即根據(jù)時域和頻域分析相結(jié)合的方法，對滾動軸承進行進一步地診斷，確定其潛在的故障位置、故障嚴(yán)重程度及原因，進而提前制定出合理的檢修方案，避免因設(shè)備突然失效所造成的損失。本文以石油工業(yè)中由減三及二中泵組成的P1113A 雙支撐穩(wěn)態(tài)機組為例進行分析，其型號為250AYST-150x2C，功率為207 kW。該機組主要由電機、聯(lián)軸器以及減三及二中泵三部分組成。

3.1 振動監(jiān)測

減三及二中泵的振動監(jiān)測采用加速度傳感器，其型號為RH505，振動量程為±50 g；采樣頻率為1280 Hz～51.2 kHz；頻率響應(yīng)為±3 dB；線性度為1%，此傳感器具有極寬的頻帶和很大的動態(tài)變化范圍，靈敏度較高[18-19]。

將電機與泵組成的結(jié)構(gòu)作為一個整體，其中某個部件的異常將會引起其他部件的振動波動，并且對于產(chǎn)生的不對中、聯(lián)軸器等故障，需要結(jié)合電機2H 測點振動進行判斷。因此，該機組的測點布置主要分為電機端和泵端（表1），現(xiàn)場測點安裝位置如圖4 所示。

表1 現(xiàn)場測點布置情況

圖4 現(xiàn)場測點安裝圖

圖4 中，振動監(jiān)測點大部分在機身表面上選取，傳感器采用膠粘方式安裝，安裝面需光滑平整[18]。

3.2 振動狀態(tài)分析

該雙支撐穩(wěn)態(tài)機組的電機自由端采用SKF NU317 圓柱滾子軸承，電機負(fù)荷端采用FAG 6317 深溝球軸承，泵負(fù)荷端采用SKF 6217 深溝球軸承，泵自由端采用NSK 7314B 角接觸球軸承，且均為在穩(wěn)態(tài)下運行。其中，電機的額定轉(zhuǎn)速為2373 r/min，轉(zhuǎn)頻為2373/60=39.55 Hz。根據(jù)具體軸承參數(shù)，可計算出滾動軸承故障頻率（表2）。

表2 滾動軸承故障頻率 Hz

各測點加速度趨勢圖如圖5 所示。3H、3V 測點的加速度總值自啟機后開始出現(xiàn)緩慢波動上升，近期總值又上升至一個新的臺階，兩者之間的變化趨勢具有明顯的同步性，4H、4A 測點加速度總值自啟機后緩慢上升又下降至新的平臺趨于穩(wěn)定，近期也有快速上升的趨勢。

圖5 各測點加速度趨勢

各測點速度趨勢圖如圖6 所示。該機組自2021 年6 月1 日開始，定子H、2H、3H、3V 以及4H 測點速度均開始出現(xiàn)緩慢上升的現(xiàn)象，之后又短暫下降，3H 測點振動速度自2021 年4 月開始持續(xù)上升，同時出現(xiàn)了較頻繁的偶發(fā)性高點。

圖6 各測點速度趨勢

綜上所述，機組加速度、速度總值發(fā)生了明顯變化，判斷機組運行狀態(tài)已發(fā)生了變化，且在持續(xù)劣化。

4A 測點速度多頻譜圖如圖7 所示。從4A 測點處的速度多頻譜中可以明顯看出，轉(zhuǎn)頻（39.55 Hz）及諧波能量在不斷增加，諧波數(shù)量較多且不斷增加，底部的噪聲也明顯抬起，說明泵的自由端松動特征顯著。

圖7 4A 測點速度多頻譜圖

2021 年5 月6 日4A 測點加速度時域波形圖如圖8 所示。從頻譜圖可看出，4A 測點存在較明顯轉(zhuǎn)頻周期間隔沖擊，機組出現(xiàn)磨碰特征。

圖8 4A 測點加速度時域波形圖

2021 年7 月14 日4A 測點加速度時域波形圖如圖9 所示。從時域波形圖可看出，4A 測點加速度時域波形沖擊特征消失，但振動總值在不斷增加，進而可以推測出泵自由端軸承與密封件的磨碰較大。

圖9 4A 測點加速度時域波形圖

3H 測點速度多頻譜圖如圖10 所示。從3H 測點不同時間節(jié)點處的速度多頻譜中可看出，轉(zhuǎn)頻諧波數(shù)量有所增加，諧波能量有上升。

圖10 3H 測點速度多頻譜圖

3H 測點時域波形圖如圖11 所示。3H 測點的時域波形從6 月2 日開始出現(xiàn)短暫性沖擊，沖擊幅值較高，最高可達75 m/s2。

圖11 3H 測點時域波形圖

4A、3H 測點的速度頻譜中轉(zhuǎn)頻諧波非常豐富，機組松動特征顯著；時域波形中存在轉(zhuǎn)頻間隔的沖擊，機組存在轉(zhuǎn)子磨碰特征。結(jié)合機組轉(zhuǎn)頻諧波豐富及轉(zhuǎn)子磨碰可知泵的自由端軸承密封器件可能存在明顯磨損，密封內(nèi)徑明顯磨大，導(dǎo)致定位軸承的軸向力增大，保持架出現(xiàn)卡澀，軸承磨損明顯加劇，最終會導(dǎo)致軸承損壞、聯(lián)軸器對中不良等一系列問題。2021年6 月16 日4A 測點的加速度總值出現(xiàn)上升，主要表現(xiàn)為9000～11 000 Hz 頻段能量增加，時域波形中存在沖擊，整體沖擊幅值較高。對4A 測點17 日的長波形9000～11 000 Hz 頻段進行包絡(luò)解調(diào)分析可知，頻譜主要為轉(zhuǎn)頻及其諧波。4A 測點包絡(luò)解調(diào)圖如圖12 所示。

圖12 4A 測點包絡(luò)解調(diào)圖

4A 測點包絡(luò)解調(diào)圖如圖13 所示。2021 年6 月17 日以后，4A 測點長波形包絡(luò)譜中出現(xiàn)明顯的保持架故障特征頻率。

圖13 4A 測點包絡(luò)解調(diào)圖

3H 測點長波形時域波形頻譜分析圖如圖14 所示。對近期3H 測點的長波形時域波形頻譜進行分析，可看出全頻段的連續(xù)能量譜峰群存在明顯的摩擦特征。

圖14 3H 測點長波形時域波形頻譜分析圖

3H 測點的長波形包絡(luò)解調(diào)圖如圖15 所示，圖中可見清晰的116.602 Hz 頻率及豐富的諧波。由圖可知，存在161.426 Hz頻率及其諧波，并伴有較豐富的轉(zhuǎn)頻邊帶。

圖15 3H 測點長波形包絡(luò)解調(diào)圖

3V 測點長波形包絡(luò)解調(diào)圖如圖16 所示。從3V 測點的長波形包絡(luò)解調(diào)譜中可見明顯的保持架及外圈故障特征頻率，并轉(zhuǎn)頻及其諧波數(shù)量較多且?guī)в斜３旨苓厧А?/p>

圖16 3V 測點長波形包絡(luò)解調(diào)圖

從3H 測點近期頻譜分析可見連續(xù)的能量譜峰群。針對3H 和3V 能量增加部分進行包絡(luò)解調(diào)，可發(fā)現(xiàn)明顯的軸承外圈及保持架特征頻率及其諧波，諧波能量較高且數(shù)量豐富，具有明顯的保持架卡澀，磨損特征明顯的特點。結(jié)合近期3H、3V 加速度總值突然上升，4A 測點磨碰特征消失的情況，可以判斷自由端軸承密封件被磨大，負(fù)荷端軸承軸向力變大，導(dǎo)致保持架卡澀，振動明顯加劇。

因此，綜上分析可看出泵出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，得出以下診斷結(jié)論：①泵自由端定位軸承嚴(yán)重松動，轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子與密封等器件磨碰明顯，近期磨碰特征消失，密封器件被磨大，密封存在泄漏；②泵自由端定位軸承嚴(yán)重松動后，泵前端軸承已承受較大的軸向力，軸承預(yù)緊力過大，導(dǎo)致軸承摩擦特征明顯。

導(dǎo)致出現(xiàn)以上問題的根源在于：泵自由端軸承松動導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子與密封件或軸肩等有磨碰，繼而造成密封件被磨損嚴(yán)重使得泵負(fù)荷端軸承軸向力增大，軸承預(yù)緊力過大，導(dǎo)致保持架卡澀，摩擦特征明顯。

因此，根據(jù)以上分析進行檢維修過程得出的診斷結(jié)論，給出以下檢修建議：①盡快停機檢查泵自由端定位軸承是否存在嚴(yán)重松動，檢查軸承端面、軸肩是否有摩擦痕跡，檢查軸承座是否有磨損，若有磨損應(yīng)酌情修復(fù)或更換軸承；②檢查泵自由端密封是否存在泄漏；緊固泵驅(qū)動端軸承座與座孔連接螺栓（圖17）。

圖17 滾動軸承故障檢修

4 結(jié)論

振動監(jiān)測對設(shè)備故障的早期診斷有著積極的現(xiàn)實意義，有助于及時、有效地掌握設(shè)備性能，實現(xiàn)設(shè)備由計劃性維修和預(yù)防性維修向預(yù)知性維修的轉(zhuǎn)變，從而使其設(shè)備健康處于可控狀態(tài)。本文以減三及二中泵為例，采用振動分析法，運用頻譜、時域波形、包絡(luò)解調(diào)等分析工具來實現(xiàn)故障診斷，能夠降低設(shè)備維護成本5%～10%，節(jié)約計劃維護時間20%～50%，并提升設(shè)備運行時間10%～20%，具有較大的工程實用價值。