基于振動(dòng)監(jiān)測與診斷技術(shù)的泥泵軸承箱故障診斷分析

王志，盛衛(wèi)明，李凱

（中港疏浚有限公司，上海 200120）

1 振動(dòng)監(jiān)測與診斷技術(shù)原理及應(yīng)用

振動(dòng)監(jiān)測分為在線監(jiān)測和離線監(jiān)測，在線監(jiān)測是對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測，而離線監(jiān)測是按照一定周期對設(shè)備進(jìn)行的重復(fù)性檢查和診斷。兩種監(jiān)測方式原理是一樣的，首先，應(yīng)用儀器采集振動(dòng)信號(hào)；然后，通過專業(yè)信號(hào)處理技術(shù)提取反映被診斷設(shè)備狀態(tài)的特征信號(hào)；最后，由專業(yè)振動(dòng)分析人員對特征信號(hào)進(jìn)行對比分析判定設(shè)備故障程度及部位。通過振動(dòng)監(jiān)測與診斷技術(shù)對旋轉(zhuǎn)設(shè)備診斷的故障，包括不平衡、不對中、軸彎曲、旋轉(zhuǎn)松動(dòng)、軸承磨損、油膜渦動(dòng)、齒輪偏心及磨損、結(jié)構(gòu)共振、電機(jī)電氣故障等。每種故障信號(hào)特征在時(shí)域、頻域、幅域中有所反應(yīng)。

2 疏浚船舶泥泵軸承箱結(jié)構(gòu)及作用

大部分泥泵軸承箱主要由兩端（前端、后端）端蓋、箱體、軸封、前后支點(diǎn)軸承及推力軸承組成。前后支點(diǎn)軸承主要承受軸跳動(dòng)的徑向力和少部分軸向力；推力軸承安裝在軸承箱中間，主要承受軸向力。軸承箱主要作用是支撐和潤滑。泥泵在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向力、軸向力、振動(dòng)，軸承箱起到平衡作用，從而減少驅(qū)動(dòng)設(shè)備（電機(jī)）不平衡應(yīng)力；軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，軸承箱會(huì)通過循環(huán)潤滑油帶走熱量，避免軸承因溫度過高硬度減小加速軸承磨損。

3 振動(dòng)監(jiān)測與診斷技術(shù)在軸承箱故障判斷中的應(yīng)用

3.1 旋轉(zhuǎn)松動(dòng)故障

3.1.1 旋轉(zhuǎn)松動(dòng)故障信號(hào)特征

（1）產(chǎn)生1X轉(zhuǎn)頻及諧頻峰值。當(dāng)泥泵泵軸與軸承箱滾動(dòng)軸承之間余隙出現(xiàn)超差時(shí)，即泵軸與軸承之間出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。則軸承箱運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生1X諧波，當(dāng)軸承箱運(yùn)行狀況惡化時(shí)，諧波甚至能擴(kuò)展到10X。（2）軸承箱滑動(dòng)軸承游隙出現(xiàn)超差時(shí)，當(dāng)軸承箱運(yùn)行過程中出現(xiàn)摩擦或嚴(yán)重的沖擊作用時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生后面所示的0.5X諧波。通常被稱為半階分量或次次諧波。有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生1/3階諧波。

3.1.2 旋轉(zhuǎn)松動(dòng)故障處理方法

（1）加強(qiáng)底腳強(qiáng)度，檢查地腳螺栓緊固情況。（2）檢查軸線對中情況。（3）使軸承箱支撐高度在同一水平面。（4）檢查軸承箱軸承磨損情況和軸承與筒體間隙。

3.2 不對中

3.2.1 不對中的分類及故障信號(hào)特征

（1）平行不對中：軸的中心線平行但不共線。（2）故障信號(hào)特征：在出現(xiàn)平行不對中時(shí)，連接相互聯(lián)接的傳動(dòng)軸產(chǎn)生剪切應(yīng)力和彎曲變形，圖譜產(chǎn)生徑向2x波峰和徑向1x低幅波峰。靠近中間聯(lián)軸器兩端的軸承，會(huì)在徑向（垂直和水平方向上）上產(chǎn)生高強(qiáng)度的1x和2x振動(dòng)。通常情況下，2X處的幅度要高于1X。對于簡單的平行不對中，軸向上1X和2X處的振幅都很小。沿聯(lián)軸器檢測到的振動(dòng)在軸向和徑向上異相，并且軸向上的相位差為180°。（3）軸線角度不對中：不對中的兩個(gè)軸相交于一點(diǎn)但相互不平行。（4）故障信號(hào)特征：產(chǎn)生軸向1X波峰和2X低幅波峰，徑向1X低幅波峰。在傳動(dòng)軸線出現(xiàn)角度不對中時(shí)，傳動(dòng)軸上將會(huì)在軸線不平行的交匯點(diǎn)產(chǎn)生對應(yīng)彎曲作用，在頻譜上顯示出高強(qiáng)度的1X振動(dòng)和在兩端的軸承上的少量軸向2X振動(dòng)。還會(huì)有相當(dāng)強(qiáng)的徑向（水平和垂直方向上）1X和2X振動(dòng)，但是，這些振動(dòng)都是相同的。振動(dòng)在軸向上的相位差為180°，而徑向上同相。

3.2.2 案例分析

上述圖表為某疏浚船舶泥泵軸承箱頻譜圖。圖1為徑向測量，2X振動(dòng)峰值（0.52mm/s）遠(yuǎn)高于1X振動(dòng)峰值（0.04mm/s），圖2為軸向測量，2X振動(dòng)峰值高于1X振動(dòng)峰值，但總體小于徑向測量。根據(jù)故障特征信號(hào)分析，該軸承箱存在平行不對中或者軸線不良故障。

圖1 某疏浚船舶泥泵軸承箱后端（徑向）速度頻譜圖

圖2 某疏浚船舶泥泵軸承箱推力軸向速度頻譜圖

3.2.3 不對中故障處理方法

軸系不對中主要受聯(lián)軸器影響，若兩半聯(lián)軸器不對中會(huì)產(chǎn)生附加彎曲力，所以，首先，應(yīng)該檢查聯(lián)軸器工作情況；然后，檢查軸承箱機(jī)殼有無變形或移位。

3.3 滾動(dòng)軸承故障

3.3.1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)及失效形式

（1）滾動(dòng)軸承的四大組成零件為內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架，其主要優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小、啟動(dòng)快、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高，安裝、維修方便。（2）滾動(dòng)軸承的失效形式分為兩種，一種是滾動(dòng)軸承長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)疲勞剝落和磨損，另一種是出現(xiàn)裂紋和斷裂、壓痕等異常失效。

3.3.2 軸承箱滾動(dòng)軸承的故障特征頻率和發(fā)展階段

（1）軸承箱故障特征頻率：軸承箱滾動(dòng)軸承內(nèi)部元件出現(xiàn)損傷時(shí)，軸承箱在運(yùn)行中就滾動(dòng)軸承會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)的振動(dòng)頻率，稱為軸承箱的故障特征頻率。軸承故障頻率包括內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架故障頻率。（2）軸承箱軸承故障發(fā)展階段：①潤滑不足或輕微軸承損傷的初步特征是產(chǎn)生高頻的振動(dòng)，但振動(dòng)幅值很低；②隨著軸承故障的發(fā)展，采用對數(shù)頻譜方式或使用加速度單位，看到故障的概率會(huì)更大；③軸承損傷就比較嚴(yán)重了，如果拆下軸承，肉眼就能看見部件損傷；④軸承有了明顯的損傷，由于軸承部件的幾何形狀發(fā)生變化，所以故障頻率也會(huì)改變，隨著時(shí)間的推移，原來的故障頻率及邊帶可能會(huì)消失，相反底部噪音會(huì)抬起，因此應(yīng)更換軸承。

3.3.3 案例分析

圖3為某船舶泥泵軸承箱前端軸承包絡(luò)譜，圖譜中出現(xiàn)軸承24072CC/W33內(nèi)圈故障頻率（BPFI）及諧頻峰值，并帶有一倍轉(zhuǎn)頻邊帶峰值，幅值較大，表明軸承內(nèi)圈出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，已經(jīng)到故障中期。圖4為修理前后包絡(luò)趨勢圖譜對比，發(fā)現(xiàn)藍(lán)色（修理后）圖譜未出現(xiàn)軸承故障頻率峰值，幅值及底部噪音明顯降低。

圖3 某疏浚船舶泥泵軸承箱前端軸承包絡(luò)譜

圖4 某疏浚船舶泥泵軸承箱前端軸承修理后包絡(luò)譜

3.3.4 滾動(dòng)軸承振動(dòng)處理方法

（1）檢查載荷的大小。（2）使用合適黏度的潤滑劑來改進(jìn)潤滑方法。（3）檢查轉(zhuǎn)子與軸承座的精度。（4）檢查游隙。（5）加強(qiáng)軸承溫度監(jiān)控，必要時(shí)更換故障軸承。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對泥泵軸承箱故障診斷的理論和實(shí)際應(yīng)用分析，證明了振動(dòng)監(jiān)測與診斷技術(shù)的可行性。為進(jìn)一步分析故障診斷檢測提供了方法，時(shí)域和頻域圖譜相結(jié)合診斷方法是泥泵軸承箱故障診斷的有利依據(jù)。對軸承箱實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測能避免非計(jì)劃停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失，也能夠?yàn)闄C(jī)修人員在維修和制定保養(yǎng)計(jì)劃中提供依據(jù)，使機(jī)械設(shè)備維護(hù)方式發(fā)生根本性變革。