SKF加速度包絡分析在軸承故障診斷分析中的應用

鄭曉龍

（上海金菲石油化工公司，上海 200540）

1 雙螺桿擠出機概況

上海金菲石油化工有限公司的雙螺桿擠出機是生產中的關鍵設備，機組示意圖如圖1 所示。機組中，螺桿：三頭，460/345r/min 雙速；同步齒輪：斜齒輪，32 齒；軸系長約6m，軸向膨脹量約6.0mm；8 處軸承：FAG 23244，循環油潤滑，自由端軸承。

圖1 雙螺桿擠出機振動測點布置示意圖

2 測試方案

設備振動測點布置如圖1 所示，在支撐螺桿軸系的6個軸承部位（實際測試是在靠近測點的箱體上），分別在水平、垂直和軸向三個方向進行測量。測量參數有振動速度（mm/s，峰值）和SKF 加速度包絡（gE，峰-峰值）。加速度包絡技術是SKF 公司專門針對滾動軸承的診斷而開發的一項技術，它濾除了機器低頻強信號的干擾，而加強了軸承缺陷部位所激發的微弱沖擊信號的能量，能早期監測到滾動軸承的缺陷。

振動測試儀器：SKF MicroLog65 便攜式數據采集器及頻譜分析儀；振動分析軟件：SKF Machine Analyst 3.01；加速度傳感器：SKF CMSS2200 通用加速度傳感器。

此外，在測試過程中，還對軸系潤滑油做了鐵譜分析；用紅外測溫儀測量了靠近測點5 和8的密封軸套的溫度；用聽診儀監聽了機組各部位的設備聲音。

3 故障現象

測點8 處23244 軸承于2010 年12 月發生蠕動腐蝕，致使軸頸磨損0.6mm。后對該處軸頸進行了重新加工和鑲套，并更換了新軸承。運行至2011 年5 月，在檢查該軸承及軸套時，發現軸承與軸套的配合面上有大量的點狀凹坑，部分成帶狀。于是去除舊軸套，重新進行鑲套，并焊接了軸套兩端面，更換了新軸承。運行至2011 年9 月，測點8 處發生異常響聲，響聲時斷時續且強度也時強時弱。停車后對同步齒輪箱開蓋進行局部檢查，密封部位和同步齒輪未見異常。運行至10 月中旬，該響聲變強，影響安全生產。盡管擔心該處軸承又發生了蠕動腐蝕，但因為新訂購螺桿未到貨，停機檢修生產損失太大，因此為維持生產的連續，利用現有的設備對機組狀態進行評判，重點是確認測點8 處軸承的狀況。

4 故障分析過程

10 月中旬對螺桿擠出機進行了振動測試，測試的典型頻譜如圖2 和圖3 所示，各特征頻率見圖中標識。

圖2 和圖3中，均明顯可見螺桿頻率及其4 階諧波；兩圖中均見到了寬帶隨機振動，特別是圖2（測點7 處）中，兩個頻段內的寬帶隨機振動更是顯著；圖2中還明顯見到了同步齒輪嚙合頻率以及螺桿轉速的調制邊頻；據此初步判定軸系部件有松動，但無法確認具體的松動部件。

圖2 測點7 水平方向速度譜

圖3 測點8 水平方向速度譜

在各加速度包絡頻譜中，均未見軸承各缺陷頻率的振動。同時，軸承聽診未聽到軸承異常；測溫表明，靠近測點5 和8的密封軸套溫度在正常范圍內；潤滑油分析未見金屬顆粒的存在。綜合四方面的相互驗證，斷定軸承狀況良好。于是建議在密切監測該軸承處振動趨勢和溫度變化的情況下維持正常生產。為了隨時掌握該處軸承的異常情況，加強振動監測的頻率，由原來的每周一次，增加到每天兩次。

該設備維持正常運行，期間響聲斷斷續續始終存在。到11 月中旬異響更加劇烈，但各方面顯示該處軸承無異常情況，運行至12 月初新螺桿到貨后方停機檢修機組，從出現異響到最終停機維修，共維持生產運行3個月。

5 原因分析

5.1 現場觀察情況

在設備解體后，現場觀察：同步齒輪嚙合面良好。測點8 處23244 軸承內外滾道面和滾動體表面均無明顯磨損痕跡，滾動體端面無軸向力痕跡，外圈無蠕動痕跡。測點7 處軸承（固定端）良好。測點8 處軸承（自由端）與同步齒輪之間的軸向定位套間有0.02mm的軸向間隙，該定位套用手可輕松周向旋動，但由于受到同步齒輪鍵銷的阻礙只能來回擺動。經檢查，該軸向定位套鍵槽有明顯的撞擊痕跡，相對應的同步齒輪鍵銷位置也有痕跡。檢查與之對應的另一根螺桿軸，軸承和軸向定位套情況類似；但盡管該軸向定位套也可以旋動，但明顯能感到此軸向定位套用手旋轉的阻力較大。其它軸向定位套能做360°旋轉。

5.2 情況分析

查看圖紙，23244 軸承內圈與軸頸的過盈量為：+0.08～+0.12mm。該軸承靠近螺桿側由軸肩定位，靠近同步齒輪側則由軸向定位套進行軸向定位。同步齒輪與軸采用鍵銷連接，其軸向由與23244 軸承間的軸向定位套定位。

由于此前該軸承曾經發生過蠕動腐蝕，這次異常響聲又恰恰靠近該軸承，為此，拆卸了23244 軸承，隨后又對該軸承內圈配合面做了進一步檢查，照片如圖4 所示。可見該軸承沒有發生蠕動腐蝕。

圖4 23244 軸承與軸的配合面

為尋找異響來源，又進一步解體23244 軸承，各部件照片如圖5 所示。解體軸承排除了軸承各部件是異響來源的可能。

5.3 異常響聲來源的確認

仔細檢查與23244 軸承相鄰的軸向定位套，發現軸向定位套與軸是間隙配合，其軸向竄動量是0.02mm，其靠近同步齒輪側的開口腰槽寬度為50.0mm。同步齒輪鍵銷寬度是46.0mm。傳動鍵鑲嵌在開口的腰槽之中，兩側各有2.0mm的間隙。手動旋轉軸向定位套發出的碰撞聲音與設備的異常響聲接近。在腰槽的弧線處以及對應的鍵銷部位均有明顯的碰撞痕跡，見圖6。

圖5 23244 軸承各部件解體照片

圖6 軸向定位套腰槽與同步齒輪傳動鍵銷的碰撞痕跡

至此確認了該擠出機持續幾個月異常響聲的來源。

6 結語

作為化工生產關鍵設備的擠出機，由于機組結構的特殊性，振動測點難以接近軸承部位，只能在厚重的箱體上測量，信號有很大衰減，難以確定設備故障。而采用SKF 加速度包絡技術，能從微弱的信號中提取滾動軸承缺陷沖擊造成的缺陷的振動頻率，從而可以準確地判斷軸承狀況。

擠出機軸系較長，軸向膨脹量大，安裝時應確保每個部件都牢固定位、鎖緊。特別是軸承和齒輪，進行熱裝時，要充分考慮到軸向熱膨脹因素的影響，確保有足夠的冷卻時間。

此例中的軸向定位套，不僅要考慮其軸向定位，還應確保其周向定位。建議制作一個凹型零件鎖緊軸向定位套，確保周向不能旋轉，從而消除其周向碰撞發出異常響聲的可能。