高頻包絡譜分析技術在滾動軸承故障診斷中的應用

張 豐

(錦州石化公司設備研究所，遼寧 錦州 121001)

在狀態監測技術中，高頻包絡(HFE)是一種非常有價值的分析工具，故障診斷分析人員可以運用這種技術發現大量潛在的故障現象，如果僅用振動頻譜和時域波形分析可能會忽略這些故障，尤其是在故障的早期階段。因此，高頻包絡譜分析技術越來越受到重視。很多振動分析儀廠商都提供這種技術，雖然各自的名稱不同，例如羅克韋爾(Rockwell)稱其為振動尖峰能量(gSE),而斯凱孚(SKF)則稱之為加速度包絡(gE)，但其理論基礎都是高頻包絡技術。

一、技術原理

高頻包絡(High Frequency Enveloping)主要用來分析與沖擊或脈沖有關的故障，因此需要通過濾波器來濾掉這些較低頻率的信號，再進行信號的FFT分析，以常見的幅值與頻率的FFT格式顯示結果。簡單的說，就是通過濾波保留脈沖、沖擊產生的振動信號，這種處理已消除了與正常的旋轉振動有關的頻率。沖擊引起的信號由加速度傳感器測量，并且由獨特的過濾和檢波電路加以處理。

以羅克韋爾的振動尖峰能量(gSE)為例，振動信號由一加速度傳感器測量，由一頻帶濾波器進行過濾。有6個可選擇的高通頻率(低頻界限)，100Hz、200Hz、500Hz、1 kHz、2kHz和5kHz。低通頻率(高頻界限)為65kHz，這是振動尖峰能量頻率范圍的上限。將篩選的信號通過1個峰峰值檢波器，該檢波器不僅保持信號的峰峰值而且選用預定的采用時間間隔，這直接確定了沖擊能量譜的最大頻率(Fmax)。峰峰值檢波器的輸出信號是鋸齒形信號波形。對這一鋸齒形信號做近一步處理，可得到沖擊能量的通頻幅值和振動尖峰能量譜。由此可見，振動尖峰能量技術是包絡技術的應用，它的作用原理和無線電廣播中從載頻信號中提出音頻信號很相似，它是從正常振動信號中提取出軸承發生故障時產生的沖擊振動信號。這一沖擊信號就是辨認滾動軸承故障的關鍵信息，其中包含著滾動軸承的四個故障特征頻率成分，據此就可以判斷滾動軸承是否存在故障及損壞部位。

二、滾動軸承四種故障頻率

1.滾動軸承故障頻率計算方法

當軸承外環固定不旋轉時，其計算公式見式(1)～式(4)。

式中：N——軸的轉速；

d——滾動體直徑；

D——滾動體中心圓直徑；

φ——接觸角；

n——滾動體數目；

r/min——機組轉速頻率。

2.滾動軸承故障頻率之間的關系

(1)軸承內外環故障頻率的和等于“軸承滾動體通過頻率”，即BPFO+BPFI=n·N。

(2)外環故障頻率等于“軸承滾動體對保持架的通過頻率”，即BPFO=n·FTF。

3.高頻包絡(HFE)故障診斷經驗

(1)高頻包絡譜對使用的振動加速度傳感器非常敏感，必須使用相同的傳感器并采用同一種固定方式，否則測量結果變化很大。

(2)高頻包絡譜的變化趨勢對診斷故障非常重要，并且低階故障頻率的趨勢比同一頻率的高次諧波頻率變化趨勢更加精確。

(3)潤滑不良、金屬間接觸或軸承承受不當的負載，也會出現軸承的故障頻率。

(4)軸承故障在故障發展到滾動體和保持架之前，先在軸承的外環或內環上發生，因此，通常首先出現軸承外環和內環故障頻率。此后，保持架故障頻率不是以基頻出現，而是以邊帶形式或邊帶差頻形式出現在軸承外環或內環故障頻率兩側。

(5)當發生較為嚴重的軸承故障時，軸承外環或內環故障頻率兩側會被1×轉速頻率邊帶族環繞。當出現軸承故障頻率的諧波頻率且其兩側伴有1×轉速頻率邊帶，則指示更為嚴重的損壞，應盡快更換該軸承。

三、診斷滾動軸承故障的案例

1.機組概況

某廠重整車間貧溶劑泵為2級離心泵，型號為GHY100-100×2，輸送介質環丁砜，入口壓力0.1MPa，出口壓力1.5MPa，流量100m3/h，功率為80kW，轉速2970r/min，泵內側靠聯軸節處軸承型號為6213，外側軸承型號為7313×2（背靠背安裝），圖1為機組測點布置示意圖，監測儀器為Entek DP1500。頻譜圖如圖2和圖3所示。從表1的振動烈度分析，泵運行正常。分析振動頻譜圖，可發現有2、3和6倍的諧頻存在，但幅值不大，無特殊故障頻率出現。但振動尖峰能量及其頻譜圖(表2、圖2至圖5)可看到：

圖1 貧溶劑泵測點布置示意圖

(1)兩個位置的振動尖峰能量頻譜都出現了軸承外圈故障頻譜的峰值，且聯軸節側的頻譜圖中還包含外圈故障頻譜的半頻及其諧頻。

(2)從振動尖峰能量幅值上看，聯軸節側的峰值能量遠遠大于外側(4倍左右)。

(3)對比2日和8日的監測數據，振動尖峰能量幅值呈現明顯的增長趨勢。

綜上所述：泵兩側軸承均有外圈磨損的早期征兆，聯軸節側較為嚴重，為此建議車間對泵聯軸節側的軸承進行更換，外側軸承可根據實際情況酌情處理。

四、檢修情況反饋

表1 貧溶劑泵振動烈度

表2 貧溶劑泵振動尖峰能量

圖2 泵外側水平方向頻譜圖

圖3 泵聯軸節側水平方向頻譜圖

圖4 振動尖峰能量頻譜圖

圖5 泵聯軸節側振動尖峰能量頻譜圖

2.振動分析及故障診斷

2010年2月2日，監測人員發現貧溶劑泵振動異常，2月8日再次對該泵進行監測，異常更加明顯，振動烈度見表1，

2月10日車間對泵進行檢修，更換了聯軸節側軸承，外側沒有更換。2月11日，檢修后的泵開機，從檢修前后的振動尖峰能量及頻譜圖的對比看，診斷結果正確。

五、結語

在對滾動軸承進行故障診斷時，在觀察振動烈度的同時要關注其峰值能量的發展趨勢，可以在軸承故障的早期階段做出判斷。本文所述診斷實例就為檢修單位提供了準確的維修建議，實現了預知性計劃檢修，避免非計劃檢修或過度檢修，有效降低檢修成本，提高了轉動設備的管理水平。

[1]張鐵新，峰值能量技術原理及其應用[J].電機技術，2010(03).

[2]施連勇.峰值能量技術在診斷軸承故障中的應用[J].化工機械，2004(03).

[3]申大勇.峰值能量技術及其在熱電廠電機滾動軸承故障分析中的應用[J].能源技術,2006(01).