加速度包絡技術(shù)在滾動軸承故障診斷中的應用①

沈小鷗 蘇志忠 賀訓育 王 成

(中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司)

加速度包絡技術(shù)在滾動軸承故障診斷中的應用①

沈小鷗 蘇志忠 賀訓育 王 成

(中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司)

介紹滾動軸承的故障特征，闡述加速度包絡技術(shù)的特性與基本原理，分析該技術(shù)的實際應用方法與作用，在軸承故障診斷過程中的應用證實了其可行性與優(yōu)越性。

滾動軸承 加速度包絡技術(shù) 故障診斷 沖擊脈沖值(gE值)

滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機械中應用最為廣泛的零部件之一，其狀態(tài)直接決定機組的性能。同時，滾動軸承也是旋轉(zhuǎn)機械的重要故障源，據(jù)統(tǒng)計，機械設備故障中約30%由滾動軸承引起。相對其他零部件，滾動軸承運行可靠性離散程度較大：部分超過設計使用壽命的軸承依然能夠運行，而部分設計使用壽命內(nèi)的軸承卻早已失效。另外，材料缺陷、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕或過載、加工或裝配不當?shù)纫蛩囟伎赡軐е螺S承損壞[1～3]。

滾動軸承故障具有長的發(fā)展期和短暫的破壞期。發(fā)展期的主要故障形式為磨損，此時故障以短暫的沖擊信號形式出現(xiàn)，其能量頻率較為發(fā)散，且容易被其他振動信號掩蓋，導致傳統(tǒng)的FFT技術(shù)較難發(fā)現(xiàn)。破壞期的軸承損壞形式為點蝕、剝落及擦傷等，此時故障特征信號提取較為容易，但軸承壽命已進入晚期。因此，在較早階段發(fā)現(xiàn)故障對于滾動軸承監(jiān)測具有重大意義。

目前，應用較為廣泛的滾動軸承故障診斷技術(shù)主要包括振動診斷技術(shù)、磨損與潤滑診斷技術(shù)及溫度診斷技術(shù)等。其中，基于振動信號的軸承故障監(jiān)測技術(shù)理論較為成熟，而加速度包絡技術(shù)便是其中一種[4,5]。加速度包絡技術(shù)是一種通過將共振解調(diào)思想與包絡譜分析法融合，對滾動軸承早期損傷進行診斷的方法，可監(jiān)測軸承故障部位和嚴重程度。與傳統(tǒng)的FFT分析方法、沖擊脈沖法等軸承故障診斷技術(shù)相比，該技術(shù)具有對高頻離散信號識別能力強、抗干擾能力強等優(yōu)點[6]。

筆者通過分析加速度包絡技術(shù)的原理及其在滾動軸承故障診斷中的應用，說明加速度包絡技術(shù)的作用和使用方法。

1 滾動軸承故障特征

滾動軸承由外圈、內(nèi)圈、保持架和滾動體組成。當其中一個或多個部件出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生周期性的沖擊，并激發(fā)結(jié)構(gòu)共振，出現(xiàn)相應的特征頻率。通過振動頻譜分析來識別不同的故障特征頻率從而分辨軸承故障，是軸承故障診斷的重要方式。

滾動軸承故障在頻譜上表現(xiàn)為以共振頻率為中心，相應故障部件的故障頻率為邊頻的形式。一個滾動軸承具有4個故障頻率：外圈故障頻率、內(nèi)圈故障頻率、滾動體故障頻率和保持架故障頻率。這些頻率通常不是轉(zhuǎn)速頻率的倍頻，且在振動頻譜中表現(xiàn)在較高的頻段中[7，8]。

2 加速度包絡技術(shù)

2.1 特性

加速度包絡技術(shù)是一種對低頻沖擊信號所激發(fā)的高頻共振信號進行包絡、濾波后，獲得一個相對于低頻信號放大了的共振解調(diào)波，并對此共振解調(diào)波的幅值和頻譜進行分析，進而判定故障類型和程度的技術(shù)。

該技術(shù)可提取一些小幅、重復性沖擊信號。這些信號往往由軸承缺陷引起，且常被動不平衡、不對中等故障引起的高能量低頻信號所掩蓋。

2.2 基本原理

采用加速度包絡技術(shù)對頻譜進行分析之前，首先通過設置合適的濾波器，對振動信號進行高通或帶通濾波，濾掉低頻成分，如圖1所示。然后對信號進行包絡解調(diào)，使載波波形發(fā)生畸變，載波頻率增大一倍且存在諧波，提取附載在高頻載波信號上的低頻調(diào)制信號(圖2)。最后，通過設置合適的分析頻寬經(jīng)過低頻濾波濾掉高頻載波后，即剩下包絡后的低頻振動信號(圖3)。

圖1 濾波后的信號及其頻譜

圖2 低頻調(diào)制信號及其頻譜

圖3 包絡低頻振動信號及其頻譜

3 應用情況

軸承的損傷部位在運行中會因碰撞而產(chǎn)生脈沖，從而激起軸承系統(tǒng)的高頻固有振動。在診斷中，可選擇某一高頻固有振動為對象，通過帶通濾波器分析出該固有振動頻率并進行包絡解調(diào)，得到只包含故障特征信息的低頻包絡信號，然后對該包絡信號進行頻譜分析便可提取出軸承的故障特征信息。

3.1 應用實例

3.1.1電廠排粉機軸承故障監(jiān)測

某電廠鍋爐排粉機風機發(fā)出異響，維護人員通過測試得到其振動監(jiān)測結(jié)果見表1。可以看出，風機的振動烈度處于正常水平，在使用加速度包絡技術(shù)提取信號后發(fā)現(xiàn)，該機組風機兩側(cè)軸承沖擊脈沖值均較大。

表1 某電廠鍋爐排粉機風機的振動監(jiān)測結(jié)果

圖4為排粉機風機非聯(lián)軸端加速度包絡譜圖(gE譜圖)。

由圖4可以看出，電機兩側(cè)軸承加速度包絡譜圖呈現(xiàn)出雜亂無章的沖擊信號，無明顯故障特征頻率，因此引起沖擊能量較高的主要原因可能是潤滑不良。

圖4 排粉機風機非聯(lián)軸端加速度包絡譜圖(gE譜圖)

車間根據(jù)建議加潤滑脂后，機組異響消失，但運行一周后，異響再次出現(xiàn)，此時的監(jiān)測結(jié)果見表2。可以看出，風機振動烈度依然處于正常水平，但在加潤滑脂后，沖擊脈沖值不降反升。為此，需對風機聯(lián)軸端的gE譜圖(圖5)和振動烈度譜圖(圖6)進行進一步分析。

表2 排粉機風機第2次振動監(jiān)測結(jié)果

圖5 排粉機風機聯(lián)軸端gE譜圖

圖6 排粉機風機聯(lián)軸端水平方向振動烈度譜圖

由圖5、6可以看出，第2次監(jiān)測時加速度包絡譜圖中出現(xiàn)了明顯的軸承外圈故障頻率，且振動烈度譜圖中存在以500Hz為中心、軸承外圈故障頻率為間隔的頻率帶，表明軸承存在程度較為嚴重的外圈故障。同時，車間檢修過程中發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸端軸承外圈滾道表面存在點蝕和剝落現(xiàn)象，因此振動測試結(jié)論得到了檢修驗證。

3.1.2擠壓機軸承故障監(jiān)測

某乙烯廠聚乙烯擠壓造粒機機齒輪泵電機出現(xiàn)輕微異響，電機兩端軸承各向振動和運行溫度無明顯變化。設備維護人員分別使用傳統(tǒng)的振動頻譜分析方法和加速度包絡技術(shù)對該電機進行了持續(xù)測試，得到的測試結(jié)果見表3。可以看出，3次測試中齒輪泵電機的振動烈度均處于正常范圍，且無明顯變化，但沖擊脈沖值保持在較高水平，且有明顯增大趨勢。為此，對電機聯(lián)軸端軸承提取的信號進行頻譜分析，如圖7～9所示。

表3 某擠壓機齒輪泵電機振動監(jiān)測結(jié)果

圖7 電機聯(lián)軸端軸承水平方向振動烈度譜圖

圖8 電機聯(lián)軸端軸承g(shù)E譜圖

圖9 電機聯(lián)軸端軸承g(shù)E譜圖低頻放大圖

由圖7可以看出，電機聯(lián)軸端軸承的振動能量主要集中在1 500～2 500Hz之間。由圖8、9可以看出，電機聯(lián)軸端軸承主要故障頻率為軸承外圈故障頻率及其倍頻和保持架故障頻率及其倍頻，說明電機軸承外圈和保持架均存在損傷，且已發(fā)展到故障晚期。在檢修期間對機組進行解體后發(fā)現(xiàn)，電機聯(lián)軸端整個軸承外圈滾動體導軌面均勻布滿凹坑，邊緣倒角處損傷嚴重，且有燒灼痕跡。

3.2 結(jié)果分析

加速度包絡技術(shù)作為滾動軸承故障診斷技術(shù)的代表性技術(shù)，將它應用于滾動軸承故障診斷，無論是故障檢出數(shù)量還是檢出率，均得到較大提升。

某電廠使用加速度包絡技術(shù)前，風機軸承故障檢出數(shù)量4次，使用加速度包絡技術(shù)后，故障檢出數(shù)量25次，可見使用加速度包絡技術(shù)后軸承故障檢出數(shù)量得到明顯提升。此后，針對該電廠風機故障率較高的問題，各維護單位聯(lián)合制定了以加速度包絡技術(shù)為主，傳統(tǒng)振動監(jiān)測、聲音監(jiān)測、沖擊脈沖技術(shù)為輔的綜合診斷方案，以進一步提高軸承故障檢出率。通過綜合使用各種故障診斷技術(shù)，該廠風機軸承故障檢出率從60%提升至85%，為車間提供了科學的設備檢修依據(jù)。

4 結(jié)束語

通過加速度包絡技術(shù)提取的沖擊信號對中早期滾動軸承故障反應靈敏，而且加速度包絡技術(shù)比傳統(tǒng)振動分析技術(shù)能更早地發(fā)現(xiàn)軸承故障的部位和程度。因此，將該技術(shù)與傳統(tǒng)振動、溫度及聲音監(jiān)測等方法結(jié)合使用，能有效提高滾動軸承中早期故障的檢出率。同時，采用加速度包絡技術(shù)便于采取有效措施減緩或消除滾動軸承中早期故障的發(fā)展趨勢，從而延長滾動軸承使用壽命，為機組的監(jiān)測和檢修提供技術(shù)支持。

[1] 盛兆順,尹琦嶺.設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003:224～225.

[2] 楊國安.滾動軸承故障診斷實用技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2012:13～14.

[3] 趙海峰,楊國斌.基于振動信號的深溝球軸承滾動體故障診斷研究[J].化工機械,2014,41(3):291～295.

[4] 李興林,張仰平,曹茂來,等.滾動軸承故障監(jiān)測診斷技術(shù)應用進展[J].工程與試驗,2009,49(4):1～5.

[5] 趙光昌,謝剛,張清華.滾動軸承早期故障診斷技術(shù)[J].軸承,2015,(6):56～61.

[6] 薛光輝,趙新贏,吉曉冬.基于沖擊脈沖法滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測研究[J].煤炭工程,2013,45(4):119～121.

[7] 莫利輝,喬鵬.滾動軸承故障診斷與分析[J].設備管理與維修,2014,(7):72～73.

[8] 劉繼承,聶品磊,楊宏宇,等.基于形態(tài)濾波和HHT的滾動軸承故障特征提取[J].化工自動化及儀表,2014,41(5):529～532,562.

ApplicationofAccelerationEnvelopmentTechnologyinRollingBearingFaultDiagnosis

SHEN Xiao-ou, SU Zhi-zhong, HE Xun-yu, WANG Cheng
(CNPCDushanziPetrochemicalCompany)

The fault characteristics of rolling bearings were introduced and both property and fundamental principle of the acceleration envelopment technology were expounded. Analyzing the practical applications and effect of the acceleration envelopment technology proves its feasibility and superiority in fault diagnosis process.

rolling bearing, acceleration envelop technology, fault diagnosis, value of shock pulse (gE value)

沈小鷗(1989-)，助理工程師，從事轉(zhuǎn)動設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作，yjy_sxo@petrochina.com.cn。

TH133

B

1000-3932(2017)12-1126-05

2017-05-27，

2017-06-06)