PeakVue 技術(shù)在軸承早期故障檢測(cè)中的應(yīng)用

陳惠林

（華能石洞口第二發(fā)電有限公司，上海 200942）

0 引言

實(shí)踐表明，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸承僅有10%能運(yùn)行到設(shè)計(jì)壽命年限，其余的會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑不良、裝配失誤或者選型不對(duì)、制造缺陷等導(dǎo)致壽命減少。軸承的突然失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以如何在早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承的故障對(duì)于設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 軸承故障在振動(dòng)頻譜圖中的特征

在振動(dòng)頻譜圖中，軸承的故障頻率是不同于1×基頻倍數(shù)的不同步分量。與軸承故障頻率有關(guān)的4 個(gè)參數(shù)有滾珠過(guò)內(nèi)圈頻率（BPI）、滾珠過(guò)外圈頻率（BPO）、保持架轉(zhuǎn)速頻率（FT）和滾珠的自轉(zhuǎn)頻率（BS）。相關(guān)公式如下：

其中，d 為滾珠直徑，D 為軸承節(jié)徑，n 為滾珠數(shù)，α 為接觸角。

另外，當(dāng)滾珠上的缺陷既撞擊內(nèi)環(huán)又撞擊外環(huán)，BS 值可能加倍。

如果頻譜圖上出現(xiàn)圖1 中這樣的高峰并伴有邊頻帶或諧波，那么軸承出現(xiàn)故障的概率很大。因?yàn)閳D1 中軸承的4 個(gè)故障頻率——BPI、BPO、FT 和BS，均不是整數(shù)。

2 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

圖1 振動(dòng)頻譜圖中諧波分類

如果在頻譜圖的低頻范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了軸承的故障頻率，表明故障已經(jīng)到了比較嚴(yán)重的地步。如何能更早地發(fā)現(xiàn)軸承出現(xiàn)問(wèn)題，就需要使用調(diào)制解調(diào)（包絡(luò)檢波）技術(shù)（與收音機(jī)的AM 調(diào)幅技術(shù)類似）。調(diào)制解調(diào)技術(shù)是目前普遍使用的、針對(duì)早期滾動(dòng)軸承和齒輪故障診斷的信號(hào)采集和處理方法。

當(dāng)軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承上的故障滾珠會(huì)重復(fù)不斷地經(jīng)過(guò)載荷區(qū)和無(wú)載荷區(qū)，因此會(huì)出現(xiàn)幅值時(shí)大時(shí)小的調(diào)制信號(hào)，即故障頻譜被旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制。在頻譜圖上可以看見(jiàn)，間隔為保持架轉(zhuǎn)速頻率的邊頻帶（0.4 倍的1×頻率），當(dāng)內(nèi)圈故障時(shí)邊頻帶的間隔為基頻（圖2～圖3）。

圖2 被調(diào)制的故障信號(hào)

這個(gè)過(guò)程一般由以下3 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

（1）解調(diào)。通過(guò)高通濾波器濾掉低頻信號(hào)并讓軸承故障等高頻信號(hào)（＞2 kHz）通過(guò)（圖4～圖5）。

圖3 高通濾波

圖4 高頻包絡(luò)

（2）包絡(luò)。通過(guò)解調(diào)器將高頻的變頻帶轉(zhuǎn)移到基頻處（高頻包絡(luò)），然后通過(guò)整流器去掉負(fù)向信號(hào)，只保留正向信號(hào)（圖6）。

（3）最后使用抗混頻低通濾波器將高頻的其他調(diào)制源的殘余信號(hào)濾掉，就能得到軸承等有用的故障信號(hào)（圖7）。

由于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械不同的故障所在的頻率也各不相同，從低的次同步諧波到高的齒輪嚙合頻率諧波，因此，需要先對(duì)振動(dòng)探頭在高、中、低頻段的輸出波形進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，對(duì)高、中、低頻段的頻譜波形進(jìn)行處理和分析，以確定旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障類型。但是把三頻段帶通濾波后的時(shí)域信號(hào)變換到頻域分析，最少要經(jīng)過(guò)3 次的FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換），其采集的數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量均會(huì)增加很多，信號(hào)處理速度較慢。

不過(guò)，調(diào)制解調(diào)技術(shù)只能判斷軸承類的早期故障，而不能判斷故障的嚴(yán)重性，而且沒(méi)有實(shí)時(shí)的趨勢(shì)跟蹤也就不能及時(shí)地對(duì)軸承故障進(jìn)行預(yù)警。于是各個(gè)振動(dòng)分析領(lǐng)域的專業(yè)公司，針對(duì)軸承故障診斷開發(fā)了大同小異的先進(jìn)檢測(cè)方法。艾默生公司的應(yīng)力波PeakVue 專利技術(shù)就是其中之一，該技術(shù)可以做到調(diào)制解調(diào)技術(shù)無(wú)法做到的上述內(nèi)容。

圖5 濾波和整流信號(hào)

圖6 低通濾波

圖7 處理后的振動(dòng)頻譜

3 PeakVue 技術(shù)

艾默生公司的PeakVue 技術(shù)可以在振動(dòng)頻譜的背景信號(hào)中分離出頻率高但幅值低的周期性故障信號(hào)，這些頻率主要為早期的齒輪箱和軸承的故障頻率，通過(guò)時(shí)域頻譜中的加速度PeakVue 值可以量化故障的嚴(yán)重程度，并配合分析頻譜波形可以診斷故障的原因。更為重要的是，還可以對(duì)不同時(shí)間測(cè)得的PeakVue 值進(jìn)行趨勢(shì)分析故障的發(fā)展?fàn)顩r。

3.1 工作原理

要了解PeakVue 的工作原理，首先需要了解應(yīng)力波的概念。應(yīng)力波是發(fā)生于機(jī)械的金屬對(duì)金屬的沖擊、應(yīng)力裂痕或摩擦現(xiàn)象，是一種非常短暫的（1.0×10-6～1.0×10-3s）、連續(xù)性脈沖的信號(hào)，即頻率非常高，常常在1～50 kHz。當(dāng)缺陷發(fā)展時(shí)，其頻率會(huì)降低直至在發(fā)生嚴(yán)重故障前被常規(guī)振動(dòng)頻譜分析儀所捕獲。滾動(dòng)軸承和齒輪箱的早期失效，均會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波的出現(xiàn)。

安裝在軸承上和齒輪箱上的壓電式加速度傳感器的時(shí)域輸出波形非常復(fù)雜，由隨機(jī)信號(hào)、高頻和低頻周期性信號(hào)、應(yīng)力波等多種信號(hào)組合而成。PeakVue 技術(shù)的振動(dòng)探頭運(yùn)用Fmax=100 kHz 的高頻采樣采集設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，并使用高通濾波器（High-pass filter）從采集的原始振動(dòng)信號(hào)中去除低頻段，分離出高頻的應(yīng)力波脈沖信號(hào)，再通過(guò)二次采樣處理此應(yīng)力波，得到PeakVue 時(shí)域波形和通頻值。最后通過(guò)FFT 數(shù)字變換得到PeakVue 頻譜波形。應(yīng)力波不僅會(huì)在高轉(zhuǎn)速的設(shè)備上產(chǎn)生，在低轉(zhuǎn)速的設(shè)備上也會(huì)出現(xiàn)，只要是金屬間碰撞所產(chǎn)生的應(yīng)力波皆能檢測(cè)，如高頻段的軸承、齒輪箱的磨損故障和低頻段的軸承的潤(rùn)滑不良、水泵的汽蝕等，因此通過(guò)時(shí)域波形峰值可以精準(zhǔn)地判斷故障的嚴(yán)重程度。同理，跟蹤PeakVue 值的變化，就可以準(zhǔn)確地判斷軸承和齒輪箱故障的發(fā)展階段和剩余壽命。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）PeakVue 在處理中保持了振動(dòng)頻譜分析儀采集到的實(shí)際振動(dòng)信號(hào)值，能真實(shí)反映振動(dòng)幅值情況，通過(guò)不同時(shí)間的多次采集可以進(jìn)行趨勢(shì)分析（圖8）。

（2）PeakVue 并不局限于中頻范圍，它可以監(jiān)測(cè)高速和非常低速（轉(zhuǎn)速最低至1 r/min，對(duì)設(shè)備的轉(zhuǎn)速無(wú)要求）的沖擊故障，因此是低速設(shè)備監(jiān)測(cè)的好方法。

（3）數(shù)字式高頻采樣模塊，不受采樣定律限制。

（4）靈敏地采集應(yīng)力波信號(hào)，例如軸的疲勞裂縫、軸瓦摩擦、軸承及齒輪箱磨損或故障早期的沖擊，運(yùn)用PeakVue 技術(shù)可以分析出故障頻率并同時(shí)掌握振動(dòng)嚴(yán)重程度。

（5）PeakVue 技術(shù)能夠在故障早期及時(shí)預(yù)警，避免設(shè)備的非停，配合其他檢測(cè)手段還能做到狀態(tài)檢修，減少備品配件，降低檢修成本。

華能石洞口第二發(fā)電有限公司于2016 年12 月開始采用艾默生重要輔機(jī)無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，2018 年8 月又上了二期項(xiàng)目。截止目前，該系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了一期和二期4×600 MW機(jī)組的汽機(jī)房0 m、六大風(fēng)機(jī)和脫硫區(qū)域。該系統(tǒng)采用了艾默生公司具有PeakVue 專利技術(shù)的CSI9420 無(wú)線振動(dòng)變送器。CSI9420 無(wú)線振動(dòng)變送器不僅可提供振動(dòng)總量、趨勢(shì)報(bào)警、頻譜以及時(shí)域波形，還集成了PeakVue 技術(shù)，通過(guò)AMS 智能設(shè)備管理軟件可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷（圖8）。

表1 是針對(duì)電機(jī)直連、轉(zhuǎn)速在600～6000 r/min 的臥式泵的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 艾默生PeakVue 頻譜圖

表1 PeakVue 值與軸承壽命的關(guān)系

表2 PeakVue 值與設(shè)備狀態(tài)的關(guān)系

2017 年5 月10 日下午15 時(shí)，這套系統(tǒng)使用不久，就發(fā)現(xiàn)了1 號(hào)機(jī)組的一次風(fēng)機(jī)1B 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承PeakVue 值偏高，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了一起軸承早期故障的事件（圖9、圖10）。

故障原因分析如下：

圖9 振動(dòng)值與PeakVue 值比較

圖10 一次風(fēng)機(jī)1B 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端頻譜圖

一次風(fēng)機(jī)1B 額定轉(zhuǎn)速1480 r/min，風(fēng)機(jī)軸承型號(hào)為SKF 22226-E-C3，為2014 年更換。根據(jù)頻譜分析其1×頻率最高，未見(jiàn)其他整數(shù)倍頻，并存在1×和2×軸承保持架故障頻率，時(shí)域圖PeakVue 值最高至21.69 g's。但其振動(dòng)值和軸承溫度均不高，聽(tīng)棒也未聽(tīng)出明顯異常噪聲，處于故障中期階段，但是軸承保持架故障危害性較大，所以在6 月1 號(hào)機(jī)的調(diào)停中更換了該軸承。復(fù)查頻譜恢復(fù)正常，PeakVue 值在2 g's 以下。拆解下來(lái)的軸承保持架確實(shí)有較明顯的磨損痕跡。

4 總結(jié)

開展旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，運(yùn)用好如PeakVue 等先進(jìn)技術(shù)，做好重要輔機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，更有利于檢修和更換軸承的計(jì)劃性，減少事故發(fā)生，延長(zhǎng)運(yùn)行周期，提高可靠性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于最大限度地發(fā)揮軸承工作能力具有實(shí)際意義。