高爐助燃風(fēng)機電機滾動軸承故障的分析與診斷

王明霞 （天津鋼鐵集團有限公司設(shè)備部，天津 300301)

高爐助燃風(fēng)機電機滾動軸承故障的分析與診斷

王明霞 （天津鋼鐵集團有限公司設(shè)備部，天津 300301)

介紹了高爐助燃風(fēng)機設(shè)備基本情況，針對助燃風(fēng)機電機滾動軸承外圈故障的現(xiàn)象，根據(jù)振動分析的普通理論，應(yīng)用RH802雙通道數(shù)據(jù)采集器，對其信號進行時域、幅域、頻譜、包絡(luò)譜等進行分析和診斷。實踐證明，故障診斷技術(shù)對現(xiàn)場設(shè)備滾動軸承故障診斷可以準(zhǔn)確地確定故障部位，為設(shè)備維修提供科學(xué)依據(jù)。

電機 滾動軸承 特征頻率 故障 分析 診斷

1 前言

滾動軸承是機械設(shè)備中使用量最多的零件，也是最易損壞的零件之一。滾動軸承的工作狀態(tài)非常復(fù)雜，承載方向有徑向、軸向及混合方向等等;運動形式有擺動、轉(zhuǎn)動，在有的場合還有直線運動的。磨損是滾動軸承最常見的一種失效形式。在滾動軸承運轉(zhuǎn)過程中，滾動體和保持架之間均存在滑動，這些滑動會引起零件接觸面的磨損。另外，滾動軸承還有疲勞、腐蝕、塑性變形、斷裂和膠合等幾種失效形式[1]。組成滾動軸承的任何一個元件一旦失效，就會影響軸承的整體壽命，也會影響設(shè)備的使用壽命。因此，要準(zhǔn)確掌握設(shè)備在運行過程中的狀態(tài)，就必須運用設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，監(jiān)測軸承的運行狀態(tài)，因為設(shè)備轉(zhuǎn)子上的振動載荷直接作用在軸承上，并通過軸承把設(shè)備與基礎(chǔ)聯(lián)接成一個整體，軸承運行中的振動參量能夠反映設(shè)備的運行狀態(tài)，使設(shè)備運行過程的狀態(tài)數(shù)據(jù)量化，從而預(yù)測評價設(shè)備的可靠性。故障診斷技術(shù)能夠早期發(fā)現(xiàn)故障，對其部位、原因、危險程度等進行識別，預(yù)報故障的發(fā)展趨勢，并針對設(shè)備的劣化情況作出維修決策。其實施的過程包括信號的采集、處理和分析等，其中信號分析包括多種方法，但最常見是頻譜分析。本文中煉鐵廠助燃風(fēng)機電機軸承故障是利用幾種不同分析方法來綜合判斷，使其結(jié)論更為準(zhǔn)確。

2 設(shè)備的概況

天鋼集團煉鐵廠助燃風(fēng)機是高爐煉鐵的關(guān)鍵的設(shè)備之一。燒爐時，高爐煤氣經(jīng)過煤氣V錐流量計、煤氣調(diào)節(jié)閥、煤氣切斷閥、煤氣燃燒閥進入燃燒室的矩形燃燒器;助燃空氣由助燃風(fēng)機送出，經(jīng)過空氣V錐流量計、空氣調(diào)節(jié)閥、空氣燃燒閥進入燃燒室的矩形燃燒器;空氣與煤氣混合后燃燒。燃燒的廢氣經(jīng)過拱頂，穿過蓄熱室的格子磚，進入煙道而排入煙囪。因此，助燃風(fēng)機在煉鐵過程中的作用是非常重要的。

2009年初以來，煉鐵廠1#高爐的1#助燃風(fēng)機電機其輸出端垂直方向的振動值增長的速度加快，根據(jù)設(shè)備運行的劣化曲線分析，說明電機輸出端存在了故障。經(jīng)過連續(xù)多次信號采集、計算和綜合的分析，判斷出電機輸出端NSK232滾柱軸承外圈故障，提出整改意見并作了及時的處理，使設(shè)備運行正常。

2.1 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

電動機型號：YKK560-4

電機功率：1120 kW

電動機轉(zhuǎn)速：1 493 r/min

電動機的軸承配置為：自由端為一個滾柱軸承NSK232，輸出端為兩個軸承，一個滾珠軸承6232和一個滾柱軸承NSK232。

風(fēng)機：軸功率是980 kW;其滾動軸承為3G3524KT 2;風(fēng)機葉片 10～12 片。

2.2 設(shè)備傳動示意簡圖及測點布置

助燃風(fēng)機的傳動示意圖及測點布置如圖1所示。

當(dāng)每一個軸承運轉(zhuǎn)時，滾動體便在各自內(nèi)外圈之間滾動。由于軸承的滾動表面高低不平，特別是材料表面產(chǎn)生疲勞剝落時，高低不平的情況更為突出。滾動體在這些凹凸面上轉(zhuǎn)動，就會產(chǎn)生交變的激振力，滾動體既有自轉(zhuǎn)，又隨內(nèi)外圈的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，所產(chǎn)生的振動，既有隨機的，又含有滾動體的傳輸振動，其主要頻率成分為滾動軸承的特征頻率（故障頻率)。

（1) 滾動體故障頻率[2]

以上式中：d——滾動體直徑;

D——滾動軸承平均直徑(滾動體中心處直徑);

β——徑向方向接觸角;

n——滾動體數(shù)目;

F1——軸承所在軸旋轉(zhuǎn)頻率，即內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率;

N——軸承所在軸的轉(zhuǎn)速;

將測點2的軸承NSK232和6232的機構(gòu)數(shù)據(jù)代入以上公式計算出其特征頻率見表1。

表1 軸承特征頻率 /Hz

3 精密診斷

該風(fēng)機電機的測點2在2009年初發(fā)現(xiàn)其振動值有增大趨勢，利用數(shù)據(jù)采集器對電動機和風(fēng)機整個傳動系統(tǒng)進行信號采集，粗略分析電動機輸出端的振動異常不是由于聯(lián)軸器的不對中所造成。另外，由于風(fēng)機振動平穩(wěn)正常，于是重點對電動機進行了分析。

3.1 幅域分析

首先通過后3次的數(shù)據(jù)采集和信號處理，根據(jù)ISO10816-3的有效值判別標(biāo)準(zhǔn)，判斷電機當(dāng)前的運行狀態(tài)。其數(shù)據(jù)如表2。

表2 測點1和測點2振動有效值 /mm/s

（1) 從表2中可以看出，測點1電機自由端的振動速度有效值很平穩(wěn)，說明沒有問題。測點2的振動絕對值根據(jù)ISO10816-3標(biāo)準(zhǔn)雖屬可運行范圍，但其變化量很大，2009年5月19日水平、垂直數(shù)據(jù)與3月12日比較分別增長了49.3%和32%，說明其徑向有突變。

（2) 鑒于垂直方向振動值較大，因此，對于軸承的垂直方向上下兩端點進行測試，上部與表2的值相符，但下部在最低點的左右30°范圍內(nèi)的振動值有很大差異，最大值能達速度有效值9 mm/s，已超過標(biāo)準(zhǔn)中“C”級振動強度等級，屬于不“不允許”范疇。

（3) 2點的加速度值從10 m/s2以下增大到30 m/s2以上，2009年5月19日增大到46 m/s2。齒輪或軸承有故障屬于高頻振動，加速度值對高頻振動成分敏感。而電機電流平穩(wěn)，說明電機電氣部分正常，因此，說明電機機械部分發(fā)生了故障。

3.2 頻譜分析

將低頻段測得振動信號，經(jīng)低通抗疊混濾波器后，進行FFT快速傅里葉變換，得到頻譜圖。根據(jù)滾動軸承的運動關(guān)系式計算得到各項特征頻率[2]，在頻譜圖中找出，觀察其變化，從而判別故障的存在與部位，這就是利用頻譜圖來分析滾動軸承故障的一般方法。

2009年2 月發(fā)現(xiàn)電機振動值有增大趨勢，用沖擊能量譜已經(jīng)看到軸承NSK232外圈的特征頻率，但當(dāng)時屬于軸承故障的初始階段，可以重點關(guān)注，但不影響設(shè)備使用。到3月份振值仍有增長，到5月份增長的幅度加大，特別是2倍轉(zhuǎn)速頻率49.8 Hz的幅值開始增大，從速度譜中已經(jīng)看到軸承NSK232的外圈特征頻率，并有其高次諧波頻率出現(xiàn)，高次諧波頻率兩側(cè)有2倍的旋轉(zhuǎn)頻率出現(xiàn)，這種情況屬于滾動軸承故障發(fā)展的第3階段的尾聲，如圖2。需要指出的是，各種特征頻率都是從理論上推導(dǎo)出來的，而實際上，由于軸承的各幾何尺寸會有誤差，加上軸承安裝后的變形，F(xiàn)FT計算誤差等因素，使得實際的頻率與計算所得的頻率會有某些出入，所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時，需在計算的頻率值上找其近似的值來做診斷。例如，圖2中的196 Hz即為計算的外圈頻率194.09 Hz的近似值。

3.3 時域分析

一般的原始數(shù)據(jù)都是時間波形的形式。時間波形直觀、易于理解，對某些故障信號波形有明顯特征，因此，可以利用時域波形先做初步判斷。例如，對疲勞剝落的齒輪和滾動軸承，信號中存在沖擊脈沖;當(dāng)回轉(zhuǎn)機械有較大的不平衡時，信號有明顯的周期性成分，在回轉(zhuǎn)軸又不對中故障時，振動信號在一轉(zhuǎn)中有大小的變化;當(dāng)旋轉(zhuǎn)件有松動時，時域波形上下出現(xiàn)非對稱波形等[3]。

圖2 2點垂直方向時域波形和頻譜圖

從圖2中2點垂直方向時域波形看，有很明顯的沖擊信號;其峭度指標(biāo)和裕度指標(biāo)分別從3月12日的3.82和5.54降為5月19日的3.23和4.55，因該兩指標(biāo)對沖擊信號敏感，并且從高點出現(xiàn)拐點開始向下，其水平說明軸承NSK232存在磨損剝落類缺陷，已經(jīng)到了該更換的時候了。

3.4 倒頻譜分析

在對軸承和齒輪箱類設(shè)備進行故障診斷時，為了能更準(zhǔn)確地找出軸承和齒輪故障的特征頻率，往往需要進行頻率的細化分析。但實際分析時，僅僅對頻率進行細化是不夠的，不能看清其頻率結(jié)構(gòu)，因此還需進行倒頻譜分析。倒頻譜能夠較好地檢測出功率譜上的周期成分，使其定量化[4]，將原來成簇的譜的邊帶簡化為單根譜線。而齒輪、軸承樣的零部件發(fā)生故障時，振動頻譜的邊帶一般具有等間隔性，利用倒頻譜這個優(yōu)勢，可以分辨出功率譜中出故障的部件的周期信號。倒頻譜的定義有多種，工程上應(yīng)用較多的是幅值倒頻譜，計算公式如下：

倒譜的自變量τ較大時，說明功率譜密度函數(shù)Sx（f)快速波動，τ較小時說明 Sx（f)慢速波動[3]。

倒頻譜對于傳感器的位置、信號的傳輸路徑、調(diào)制的相位關(guān)系不敏感，不同點的幅值譜圖差異可能很大，但倒頻譜顯示的結(jié)果會完全相同，因此，有利于找到故障的特征頻率[3]。

如上述中的2點垂直方向的倒頻譜圖見圖3，圖3中出現(xiàn)了以約20 ms為周期間隔的單根譜線，相當(dāng)于該零部件的故障頻率為50 Hz，而軸的轉(zhuǎn)速為1 493 r/min，旋轉(zhuǎn)頻率為 24.88 Hz，約為 25 Hz，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)頻率的2倍，即對應(yīng)了上述的軸承特征頻率所具有的邊帶是50 Hz,說明軸承上下點的不對中，預(yù)示著軸承故障。

圖3 2點垂直方向倒頻譜

3.5 包絡(luò)譜分析

包絡(luò)檢波頻譜法也稱為共振解調(diào)分析法，是目前滾動軸承故障診斷中最常用的方法之一[2]。共振解調(diào)法的基本原理是理想的故障微沖擊脈沖信號，由傳感器接收后，經(jīng)過高頻諧振和包絡(luò)檢波處理，形成純低頻的周期波，波的周期T仍與原始沖擊頻率相對應(yīng)，然后把此波作為新的振動波形進行頻譜分析，在頻譜圖上可以很清楚地看到?jīng)_擊波及其諧頻成分。包絡(luò)譜能夠早期檢測僅用振動分析不能捕捉到，尤其是故障問題的初期階段，而且比較可靠。另外，它還可以檢測僅用振動分析可能丟失的潛在的嚴重故障問題。

對于上面提到的電動機，由于普通的時域信號有可能捕捉不到故障成分，于是進行了長時域信號采集，因為該長時域能夠?qū)⑵湫盘栐谝粋€相對較長的時間，連續(xù)采集設(shè)備運行狀態(tài)中更多的周期信號，得到更多的特征，通過加速度包絡(luò)譜分析，得到很清晰的軸承NSK232外圈的軸承頻率195.3 Hz及其多倍諧頻，如圖4，每一條故障頻率譜線很清晰明了，這就更說明滾動軸承NSK232有故障的準(zhǔn)確性。

圖4 測點2垂直方向長時域加速度譜和包絡(luò)譜

3.6 診斷結(jié)論

經(jīng)過以上綜合振動分析，得出結(jié)論：電機輸出端的NSK232滾柱軸承外圈存在磨損剝落類缺陷，造成軸承下部的振動不穩(wěn)定，于是建議停機檢修。2009年5月25日將該電機換下拆檢，發(fā)現(xiàn)該軸承底部有幾處剝落如圖5所示，由此證明了診斷的準(zhǔn)確性。經(jīng)過及時更換軸承和檢修，避免了電機的損壞，保證了生產(chǎn)的安全運行。

圖5

4 結(jié)論

4.1 對于滾動軸承的故障診斷來說，高頻包絡(luò)譜應(yīng)用于對軸承的早期故障判斷，確定有無早期故障信號，還可以利用它結(jié)合頻譜分析對潤滑不良的軸承進行判斷。普通的幅域分析、頻譜分析、時域波形和倒頻譜應(yīng)用于軸承中期故障分析。最后根據(jù)頻譜中軸承特征頻率倍頻的逐步增多情況及幅值變化情況，提出更換軸承的整改意見。因此，故障診斷中利用綜合的分析手段要比單一方法分析有更高的可信度。

4.2 經(jīng)過對1#高爐1#助燃風(fēng)機電機軸承的監(jiān)測、分析和診斷，準(zhǔn)確確定故障部位，及時提出維修建議，從而節(jié)約了維修資金，具有明顯的經(jīng)濟效益，收到很好的效果。采用設(shè)備的故障診斷技術(shù)來指導(dǎo)維修已成為設(shè)備維修的重要環(huán)節(jié)，通過對軸承信號的采集分析，判斷軸承的故障和運行狀態(tài)，找準(zhǔn)故障部位，為設(shè)備的維修提供了科學(xué)的依據(jù)，這同時也說明設(shè)備的故障診斷技術(shù)在設(shè)備維修和保證生產(chǎn)順行中的重要作用。

[1]許鎮(zhèn)宇，邱宣懷.機械零件[M].北京：高等教育出版社，1965：240-255.

[2]李國華，張永忠.機械故障診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992：127-130.

[3]黃守明.設(shè)備診斷技術(shù)（一)[M].煤炭科學(xué)研究總院，40-77．

[4]金曉光，高德柱.中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會2007年全國冶金企業(yè)設(shè)備診斷技術(shù)交流會論文集[A].倒頻譜分析在滾動軸承故障診斷中的應(yīng)用[C].北京：2007.40-41.

Analysis and Diagnosis on Failure of Rolling Bearing of BF Combustion Blower Motor

Wang Mingxia

BF combustion blower is roughly described in the paper.Aiming at the failure at the outer ring of rolling bearing for combustion blower motor,the author conducts analysis and diagnosis on signal time domain,amplitude domain,frequency spectrum and envelope spectrum by RH802 duel channel data collector on the common principle of vibration analysis.Practice indicates that failure diagnosis technique can accurately define the fault position of rolling bearing on site and provide scientific basis for equipment maintenance.

motor,rolling bearing,characteristic frequency,failure,analysis,diagnosis

（收稿 2011-07-13 責(zé)編 趙實鳴)

王明霞，畢業(yè)于天津大學(xué)冶金分校，現(xiàn)任天津鋼鐵集團有限公司設(shè)備部精密診斷中心機械振動監(jiān)測高級工程師。