低轉速設備滾動軸承故障診斷技巧

鄧國慶

【摘 要】科技的快速發展使我國快速進入現代化發展階段，各行業有了新的發展機遇。現代工廠里轉動設備的應用非常普遍，轉動設備大量使用軸承部件，滾動軸承作為機械設備的常用標準件，也是設備經常損壞的部件。由于滾動軸承的失效造成設備運轉異常而不得不進行檢修，所以做好滾動軸承故障診斷在設備管理中的實際意義非常重要。

【關鍵詞】低轉速設備；滾動軸承故障診斷技巧

引言

近年來，我國工業建設發展非常迅速，為我國基礎設施建設貢獻了非常大的力量。在科技快速發展中，滾動軸承故障振動信號為多分量調制信號，在解調分析前需要將其分解為若干個單分量調制信號，現有的諸多非平穩信號處理手段，如小波變換、經驗模態分解、局部均值分解、局部特征尺度分解、變分模態分解等方法雖然在滾動軸承診斷中已得到較為廣泛的應用，但是依然存在一些未能從根本上得以解決的缺陷或不足。

1低轉速滾動軸承故障振動特性

由于轉速較慢，低轉速設備的故障一般不容易顯現出來，等到設備出現大的異常時，往往滾動軸承的故障已經非常嚴重，而低轉速設備的滾動軸承故障又很少引起設備振動的顯著變化，特別是大部分企業都應用振動速度標準，故低轉速設備滾動軸承的故障振動分析診斷率很低。在實際故障診斷工作中，發現低轉速滾動軸承的故障在檢測中一般總振值基本正常，雖然有時候會有明顯的異音，隨著連續的運轉，設備總振值變化很小，但是在低轉速滾動軸承快要失效時，速度頻譜中常會出現高倍頻的雜亂譜峰，這時就需要引起注意。分析認為，此時的低轉速滾動軸承，其故障已經發展到會影響設備運轉精度的程度了，會隨時出現斷裂、扭轉等嚴重的軸承故障。

2故障的判斷與識別

故障的判斷與識別可以提前分析滾動軸承失效先兆，從而提前安排檢修，避免因為滾動軸承故障而造成的故障擴大，從而使檢修作業內容擴大和增加難度。近20多年來，隨著振動分析技術在生產實際中的應用和發展，常見的滾動軸承故障通過振動分析基本可以準確診斷出來，例如剝落、點蝕、磨損間隙過大等故障。但是，低轉速設備滾動軸承的故障不容易診斷出來，特別是低速重載設備的滾動軸承故障診斷，是實際生產中的一個難題。滾動軸承的突然失效，一般會造成機械設備的突發故障及惡劣后果，給生產和檢修造成很大麻煩。在長期的故障診斷工作中，對低轉速設備滾動軸承故障的診斷進行了一些探討與研究，逐步積累了一些診斷方法和經驗。

3實測信號驗證

利用旋轉機械故障實驗臺測取數據對方法進行驗證。利用線切割加工技術分別在正常滾動軸承內、外圈上加工出深度為1.5mm、寬度為0.2mm的切痕，人為植入不同類型的微弱局部損傷。滾動軸承運行過程中內圈周期旋轉而外圈固定，因此外圈故障位置不同，損傷導致的振動傳遞到傳感器的路徑也不同。由于傳感器安置在軸承座上，當外圈故障位置處于6點鐘位置時，振動傳遞路徑最復雜，傳感器采集的信號蘊含特征最微弱，診斷難度最大，為了凸顯所提方法的有效性，實驗時將外圈切痕設置在6點鐘位置處。

4低轉速滾動軸承故障診斷方法

對滾動軸承同時采集振動速度和振動高頻加速度波形，并分別進行頻譜分析。由于低轉速設備轉速低，采集的振動參數能量較低，因此需要對低轉速設備采集的振動數據進行補償。在實際工作中，診斷轉速在電流工頻的設備應用最多，積累的經驗也比較豐富，診斷的參數標準也很有效。因此，對于低轉速設備，首次提出速度補償分析方法和補償因子計算及應用方法。振動加速度×補償因子，主要考慮速度能量的補償。如果設備比較重要，可以將補償因子調整為比值的1.5倍。這樣就可以把低轉速設備的振動參數補償到高轉速等效參數進行故障分析與診斷，提高故障診斷的準確率。

5振動分析技術

振動分析技術作為一種有效的無損檢測方法，已廣泛應用于風電機組傳動系統故障診斷中。但在低速旋轉機械故障診斷方面，已形成早期故障的旋轉機械振動特征分量能量相對較小，難以獲取，不利于關鍵部件的故障診斷。聲發射作為一種具有高靈敏度的新型故障檢測技術，在故障初期及發展趨勢的診斷上具有明顯優勢。在滾動軸承故障中，聲發射檢測技術可以作為振動檢測的有力補充工具，而且在軸承低轉速和故障早期的檢測中，相較于振動信號，AE信號更能發揮作用。目前AE信號分析方法中，對AE時域波形的分析處理方法受到了廣泛關注。AE波形分析方法可以分為時域分析法、頻域分析法和時頻域分析法。時域波形分析方法雖然可以獲取故障特征，但有效信號易受到旋轉機械周圍的電磁干擾，使得故障特征難于判別。基于傅里葉變換的頻域分析方法，將對信號的分析從時域跨越到了頻域上。由于FFT變換僅局限于平穩信號，考慮到旋轉器械故障產生的AE信號表現出的非線性特性，FFT方法不在適用。近年來，如短時傅里葉變換時頻方法成為分析非平穩信號的有利工具。

6低轉速滾動軸承故障診斷要點

通過長期的摸索，總結出診斷低轉速滾動軸承故障的要點：①振動總值基本沒有大的波動，建議以加速度參數值分析；②故障后期，振動頻譜高倍頻譜峰增多，并且譜形雜亂；③對振動參數值進行補償計算，按補償后的參數值進行振動分析或按照振動標準診斷，推薦的補償公式為A等效=§×A實測；④故障后期，可以作包絡分析，如果包絡譜峰出現低轉速滾動軸承故障特征頻率或其倍頻，則可確認低轉速滾動軸承故障，應盡快停機檢修。

7一起低轉速滾動軸承故障診斷實例

某空分裝置有1臺氮壓機，電機轉速493r/min，軸伸端軸承型號為NU321，自由端軸承型號為6320，反映電機有不規則異音。通過采集的數據分析，該電機振動速度雖然比較大，但考慮負荷是活塞式壓縮機，振動參數也在正常范圍內，而且該電機歷史振動數據一直也偏高，振動加速度最大值為10.5m/s2，按照一般加速度標準也不超標。由于該設備轉速較低，采用速度補償的方法。因此判定，該電機等效振動加速度超標，懷疑電機滾動軸承存在問題。對加速度譜進行包絡解調，發現軸伸端有自由端軸承外圈特征頻率，自由端出現軸承外圈2倍特征頻率，結合自由端振動加速度較大，診斷該電機自由端滾動軸承存在故障，決定盡快進行檢修。檢修發現，該電機自由端滾動軸承保持架破碎。由于診斷準確及時，沒有造成大的設備故障，減少了檢修成本。

結語

通過低轉速設備滾動軸承診斷實例，發現采用速度補償參數診斷是準確、有效的。但同時發現，包絡解調在保持架損壞如此嚴重情況下，竟然沒有解調到保持架特征頻率。由此得到提示，在日常進行低轉速設備滾動軸承故障診斷中，應主要以補償參數進行故障判斷，將包絡解調作為輔助手段。另外，此診斷方法也適用于低轉速設備齒輪故障的診斷。

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（作者單位：上汽通用汽車有限公司武漢分公司）