振動分析設備在線監(jiān)測與故障診斷

尹大山 徐 龍 劉乃啟

1．引言

大型旋轉機械作為企業(yè)生產(chǎn)的核心設備，其結構復雜、精密，不易修復，供貨周期長，如其失效，必定會造成系統(tǒng)性長時間停機。通過在線監(jiān)測與故障診斷技術，可有效對大型旋轉機械設備進行狀態(tài)管控。

1.1 提高機組運行的可靠性、安全性

在線監(jiān)測技術能夠及時、正確地對機組的各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，預防或消除故障，避免重大事故發(fā)生，保證設備安全，可靠運行。

1.2 給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益

由于在線監(jiān)測技術能避免因突發(fā)性故障發(fā)生造成的經(jīng)濟損失，延長機組使用壽命。還能為制定有計劃的維修提供依據(jù)，可在適宜時間安排維修，縮短維修時間，減少備件數(shù)，降低設備的維修費用，能給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

2．大型旋轉機械常見故障

2.1 滾動軸承故障

2.1.1 軸承故障類型。影響滾動軸承壽命的因素主要有：載荷、潤滑、裝配、腐蝕、制造缺陷、正常的疲勞。

常見的失效形式主要有：疲勞剝落、裂紋和斷裂、壓痕、磨損、電流腐蝕、銹蝕、潤滑失效。

2.1.2 滾動軸承的振動特征與分析方法。滾動軸承有缺陷時，會產(chǎn)生激振力，不同故障類型發(fā)出的激振力的頻率一般是有規(guī)律的，這些頻率稱為特征頻率或故障頻率。

1）幅值判別。振動信號的有效值即為振動能量的大小。當軸承產(chǎn)生異常后，其振動會增大。可以用有效值作為軸承異常的判斷指標。

2）頻譜分析。根據(jù)滾動軸承的運動關系式計算，得到各項特征頻率，在頻譜圖中找出變化，從而判別故障的存在與部位。

對于頻譜中，不僅需要觀察軸承特征及諧波特征，還需關注軸承特征所帶有的邊帶特征。需要關注邊帶特征的對稱程度、豐富程度、軸承特征能量相比的邊帶能量大小，邊帶特征是判斷缺陷嚴重程度的有效手段。

3）時域波形分析。重點在信號的沖擊、調制特征，明確調制及沖擊的間隔。對于沖擊需要明確是否具有周期性。沖擊的周期性或隨機性對于故障判斷的定位、缺陷嚴重程度有重要的意義。

4）包絡解調法。也稱包絡檢波頻譜分析法，是目前滾動軸承故障診斷中最常用的方法之一。

2.2 齒輪故障

2.2.1 齒輪輪齒失效形式有：齒面點蝕、齒面磨損、輪齒折斷、齒面膠合、輪齒塑性變形。

2.2.2 故障齒輪頻譜和波形特征。

1）故障齒輪在嚙合頻率及其諧波頻率上有較大的振動分量。在相同工作條件下，將故障齒輪箱頻譜與基準頻譜進行對比，要注意頻譜中的嚙合頻率及其二倍和三倍頻。根據(jù)明顯增大的嚙合頻率分量和其諧波分量，可以確定故障的齒輪。其方法是看嚙合頻率幅值的消長和諧波的分布。

2）在嚙合頻率及其諧波頻率附近有表明調制作用的邊頻帶。在對比基準頻譜時，注意嚙合頻率及其二倍和三倍頻有無邊頻帶。根據(jù)邊頻的頻率間隔，確定故障（即產(chǎn)生調制的故障所在），邊頻幅值的大小，表明故障的嚴重程度。

3）齒輪缺陷產(chǎn)生的沖擊可以激發(fā)一個或多個齒輪的自振，自振頻率是各齒輪的固有頻率。在自振頻率兩側有故障齒輪轉速調制產(chǎn)生的邊頻，在高分辨率細化譜上也可以進行診斷。

表1 設備基本參數(shù)

4）利用連續(xù)監(jiān)測判定齒面點蝕剝落程度。新齒輪全頻范圍內(nèi)振動水平低，嚙合頻率分量及其二、三次諧波分量的幅值依次減小。中等點蝕程度的齒輪，頻譜振動水平增大，嚙合頻率二次諧波幅值超過基波幅值，且二次諧波邊頻增多。

5）對于螺線齒輪、斜齒輪和人字齒輪，軸向振動大，其頻譜特征與徑向振動相同。

3．大型旋轉機械故障診斷的應用

通過在線監(jiān)測與故障診斷技術，發(fā)現(xiàn)某帶鋼生產(chǎn)線精軋機振動異常，跟蹤發(fā)現(xiàn)在軋制薄規(guī)格（0.9mm-1.1mm）時軋機振動異常，對其進行重點設備狀態(tài)監(jiān)測。見表1。

3.1 設備狀態(tài)分析

1）齒輪基座加速度時域可見團狀調制，非沖擊，間隔為2.457hz；頻譜中73.75hz（為2.461hz的29.97X，近似齒輪嚙合頻率）存在大量諧波，且?guī)в?.461hz邊帶；可見此能量存在一個較寬頻帶，與所帶邊帶不成一定比例。

2）齒輪基座加速度時域可見團狀調制，非沖擊，間隔為2.447hz；頻譜中90.547hz（為2.441hz的37.09X，鼓形齒頻率）諧波特征顯著，且?guī)в型捷嗈D頻2.441hz邊帶；同時可見70.977hz（為2.441hz的29.07X，近似齒輪嚙合頻率）諧波，攜帶2.441hz少量邊帶，應為同步齒嚙合頻率，幅值相對較低。

3）齒輪基座速度時域可見非沖擊；頻譜中16.719hz諧波特征顯著。

4）減速機頻譜中仍可見 90.547hz 能量帶有2.441hz 邊帶，同時可見 115.039hz 諧波，為減速箱齒輪嚙合頻率（此時減速箱 1 軸輸入轉頻約為4.79hz），未見顯著邊帶。包絡解調可見減速箱 1軸軸承外圈及保持架特征（外圈約保持架 29X，推測23080 軸承滾動體為 29 個），依據(jù)頻段及能量幅值，軸承外圈損傷相對早期。

3.2 后續(xù)追蹤

利用3月定修時間對該齒輪基座進行拆檢，發(fā)現(xiàn)齒輪邊部有輕微磨損，軸承側隙過大情況，隨即調整軸承側隙，目前運行良好。

利用9月定修時間對減速機外端蓋進行拆蓋檢查，未發(fā)現(xiàn)外側異常。之后，利用10月定修時間對該減速機進行拆觀察孔、側蓋，利用手摸、內(nèi)窺鏡，發(fā)現(xiàn)軸承頂部外圈內(nèi)壁偏出口方向約10°位置存在兩處剝落，一處2cm×4cm深0.2mm左右，另一處1.5cm×3cm最深處1mm。持續(xù)運行跟蹤中。

2017年11月末，根據(jù)生產(chǎn)計劃，安排20小時對該減速機軸承進行更換。更換后異常頻率消失，振動值正常，設備運行穩(wěn)定。

4．結論及建議

從在線采集數(shù)據(jù)分析：軋機齒輪基座運行狀態(tài)異常，齒輪基座存在嚙合不良、鼓形齒異常；輸出端存在摩擦特征頻率，頻率幅值較低；現(xiàn)場受生產(chǎn)軋制影響，軋機齒輪基座振動幅值均偏高。軋機減速機輸入軸軸承外圈點蝕，兩齒輪齒面及同步輪齒面基本正常，無明顯損傷。

建議：1）優(yōu)化軋機運行負荷，減少沖擊性負荷對齒輪基座的影響；2）檢查潤滑狀態(tài)，計劃停機時檢查齒輪基座軸承、齒輪、鼓形齒間隙及磨損情況；3）定周期對軸承溫度進行檢測，并對齒輪基座潤滑油理化指標進行檢測；4）持續(xù)跟蹤該齒輪基座振動變化趨勢，同時，利用點檢手段促進設備狀態(tài)全面掌握。

參考文獻略