PeakVue Plus 技術在滾動軸承故障診斷中的應用

鮑爾斯·斯圖爾特

（艾默生過程控制有限公司，上海 201206）

0 引言

作為檢測滾動軸承和輪齒故障的主要方法，PeakVue（Peak－Value，峰值分析）技術已經成功運用20 多年。雖然這項技術為預測機器故障提供了一個領先的指標，但它仍然需要一個熟練的分析師來確定故障根本原因。PeakVue Plus 是PeakVue 的一個專利擴展，它的開發目的是使這種分析自動化并表現用戶友好的使用結果。為了展示PeakVue Plus 的性能，首先從分析人員使用PeakVue 檢測軸承故障的角度介紹，然后使用PeakVue Plus 分析同一軸承的不可見細節，展示出來進行比較。

1 PeakVue 技術

PeakVue 數據確定故障需要對PeakVue 波形進行分析，以指示嚴重性，同時進行頻譜和自相關分析，以分離周期性和非周期性數據。相對于非周期性數據，周期性數據的數量和類型表示潛在故障的性質。

為了說明PeakVue 的診斷能力，針對這樣一種情況，即每月的路徑數據表明一個潛在的滾動軸承缺陷，以及日歷輥驅動側的相關潤滑問題。以下的即時計算是基于用戶的可用數據，由分析人員確定故障類型和估計的嚴重性。

分析師預測軸承故障類型和嚴重性的步驟如下：

1.1 確定PeakVue 波形中的最大峰值（MaxPk）

圖1 中PeakVue 波形顯示了8.337 g 的最大峰值，而日歷輥滾動軸承的故障報警線為7.767 g。PeakVue 波形中的最大峰值與故障極限的相對接近程度表明存在軸承問題。

圖1 一個日歷輥側的PeakVue 波形

1.2 對PeakVue 波形進行自相關

查看相關頻譜和自相關波形，將提供有關故障類型的信息。圖2 中的相關頻譜表明存在外圈故障。使用PeakVue 波形的最大峰值和自相關波形（圖3）預測的周期性百分比估計值來確定評估故障的嚴重性。自相關波形由PeakVue 波形導出。

圖2 PeakVue 頻譜

圖3 PeakVue 自相關波形

1.3 確定評估故障的嚴重性

如果計算的周期能量百分比（Est%PE）≥50%，機械軸承嚴重性=（Est%PE）×（MaxPk）/（故障極限值），軸承潤滑嚴重性=（100-Est%PE）×（MaxPk）/（故障極限值）；如果計算的周期能量百分（Est%PE）＜50%，軸承潤滑嚴重程度=（MaxPk）/（故障極限值）。

自相關波形中的最大峰值可以評估PeakVue 頻譜中有多少能量是由于機械故障（本例中為BPFO）引起的。使用公式1，PeakVue 波形中導致機械問題的能量百分比為57.62%（×100%）。將峰值波形的最大峰值（8.337 g’s）乘以能量百分比值（0.5762），得出（4.804 g’s）機械故障中軸承健康的代表性評估。該機械故障（4.804 g’s）與故障極限（7.767 8）的比率提供了相對于故障值的機械問題嚴重性的評估。該示例的結果嚴重性為61.8%（（4.804/7.767 8）×100%）。

幾乎每次出現機械故障時都會出現潤滑問題。潤滑在自相關波形中表示為非周期能量。由自相關波形估計的非周期能量為42.38%（100-57.62）。因此，估計潤滑嚴重程度為故障水平的45.5%（0.4238×8.337/7.767 8）×100%）。注意，從自相關來看，估計的周期能量和非周期能量之間的關系約為1∶1，下降到50%、低于50%的周期能量是不可預測的，評估的非周期能量相對于最大值的平方根是分段線性的。

1.4 小結

PeakVue 技術是一種成熟可靠的方法，用于檢測和確定滾動軸承和齒輪故障的嚴重程度。然而，它需要一個有經驗的分析師來有效地理解和使用這項技術。艾默生通過多項PeakVue Plus 專利不斷改進PeakVue 技術，這些專利包含了PeakVue 技術中所有必要的分析步驟，以提供有關滾動軸承和齒輪健康的簡化預測。

2 PeakVue Plus 技術

PeakVue Plus 是一個術語，包括使用周期性分析來改進和/或簡化PeakVue 測量的分析。PeakVue Plus 計算周期性，以區分周期性機械事件（如軸承和齒輪箱故障）和隨機非周期性事件（如潤滑問題）。PeakVue Plus 結合了PeakVue 周期性數據以及已知軸轉速的評估，以得出機器問題的性質和嚴重性。在其最基本的形式中，它區分了機械誘導沖擊（如軸承/齒輪）和隨機沖擊（如潤滑）對機器的影響。

通過結合PeakVue 波形的最大峰值振幅、由相應PeakVue波形的自相關得出的周期性和轉速的結果，可以預測滾動軸承的狀況。這些參數的組合結果可以指示軸承故障的嚴重程度和/或可能存在的潤滑問題。以類似的方式，可以確定齒輪箱中齒輪的狀況以及齒輪箱中滾動軸承的健康狀況。齒輪箱內部故障的檢測不在本文中討論。

PeakVue Plus 以易于理解的形式顯示分析結果。這種形式提供了診斷儀表盤：一個指示存在的維護/軸承故障和其嚴重程度，另一個指示存在的潤滑問題和其嚴重程度。儀表只是方便傳達軸承/齒輪箱狀況的一種方法，還有許多其他方式來顯示軸承/齒輪箱狀況，例如試管、紅黃綠燈顯示等。

為了理解PeakVue Plus 診斷滾動軸承狀況的過程，下面討論使用PeakVue Plus 診斷軸承故障所需的步驟。為了幫助理解PeakVue Plus 過程中涉及的計算，將對前文示例中的日歷輥操作側軸承進行評估。日歷輥的典型轉速介于255 r/min 和290 r/min之間。需要注意的是，獲取數據時輥子的轉速必須恒定。本例中評估的軸承存在外圈（BPFO）故障。

PeakVue Plus 將僅評估具有足夠分辨率和合適Fmax的數據。為了獲得分辨率，需要至少采集30 個轉速周期來評估所有軸承頻率。因此，實現30 個轉速周期所需的獲取時間（t）為30/（旋轉速度（RPS））或1800/（旋轉速度（RPM））。PeakVue Plus 分析的Fmax要求是：Fmax≥30.5 ×（運行速度）。

PeakVue Plus 需要得到可靠的速度。當轉速表不可用時，用戶必須輸入準確的轉速或同時采集PeakVue 數據的速度頻譜。當精確轉速未知時，對速度頻譜采用轉速算法確定精確轉速。該算法依賴于用戶提供的銘牌速度，如果銘牌轉速確保是合理的，就可以從速度頻譜中尋找轉速，轉速結果用于PeakVue Plus 的計算。在AMS 無線振動監測器中，轉速由與PeakVue 波形/頻譜同時獲得的速度頻譜確定。

軸承故障狀態判斷步驟如下：

2.1 獲取PeakVue（原始）波形數據

本例的PeakVue 波形如圖1 所示。此測量的設置為Fmax=200 Hz（1600 線），PeakVue 高通濾波器設置為500 Hz。圖2 顯示了從該波形導出的PeakVue 頻譜，以供參考。

2.2 確定波形的最大峰值振幅（MaxPk）

對于圖1 所示的波形，MaxPk=8.337 g’s。

2.3 計算對應的自相關波形。

圖3 顯示了從圖1 波形導出的自相關波形。執行自相關過程產生周期性信號的波形，理論上不存在噪聲或任何非周期性信號。

2.4 周期能量百分比

周期能量百分比定義為PeakVue（原始）頻譜中與周期信號相關的能量百分比。周期能量百分比可根據自相關波形估算為：

此估計值適用于50%以上的值，在50%以下，最大峰值和周期性之間的關系是分段的。在30%～50%之間，估計的周期能量百分比等于式（1）除以2。如果式（1）的值低于30% 的結果，估計的周期能量百分比為零。即如果30% ≤周期性能量百分比≤50%，則：

如果周期性能量百分比（式1）<30%，則：周期性能量百分比=0。

圖3 中，后97%的自相關波形最大峰值振幅為0.343，因此，周期性能量百分比為57.6%。

2.5 PeakVue 故障振幅報警級別

PeakVue 故障振幅報警級別通過推薦的PeakVue 報警級別或根據用戶的經驗輸入確定。

2.6 嚴重程度確定

（1）計算式:

（2）將式（3）結果乘以所需的最大量度量值“x”進行標準化，則：

常數值0.8 在NGS 方程中相乘，因此故障值為量規滿刻度的80%，例如，如果x=100，則NGS=一般嚴重性×0.8×100。

操作側日歷輥軸承計算一般嚴重度（式3）：一般嚴重性=8.337 g’s/ 7.767 g’s=1.0733，則標準化一般嚴重性（式4）NGS=1.733×0.8×100=85.86。

2.7 嚴重程度的計算

如果評估的周期能量百分比大于50%，則可能存在軸承故障。軸承故障嚴重程度的計算如下：

在自相關波形上使用一種專利算法進行快速傅里葉變換（FFT），并將該周期性頻譜與PeakVue 頻譜相關聯以產生一組周期峰值。真實周期能量百分比的計算為周期峰的總能量與PeakVue 譜的總能量之比，這個“真實”的周期能量百分比較周期性參數能量百分比更準確，可以更好地估計軸承的健康狀況。

當轉速已知時（使用轉速計或轉速檢測算法），周期性峰值可分為同步和非同步。同步周期峰值是與運行轉速和運行轉速諧波相關的峰值。對于齒輪箱，將有一組與每個軸轉速相關的同步周期峰值。所有與運行轉速無關的周期性峰值都是非同步周期性峰值。

如果存在非同步周期性峰值，則懷疑可能存在軸承問題。

如果出現同步周期性峰值，同步能量百分比大于PeakVue頻譜總能量的10%，并且測量不在齒輪箱上，則懷疑存在內圈故障（BPFI），BFS 計算如下：

圖4 顯示了周期性同步和周期性非同步峰值。其中，深色峰值均為周期性同步峰值，淺色峰值為周期性非同步峰值。

圖4 與PeakVue 頻譜相關的周期圖

由于周期性同步峰值的能量小于PeakVue 頻譜總能量的10%，因此僅使用周期性非同步峰值能量來計算機械軸承的嚴重性。本例中周期非同步峰的能量為0.525 9 g’s。PeakVue 頻譜的總能量為0.775 9 g’s。將這些值輸入式5，得出該軸承故障的嚴重程度：軸承故障嚴重程度=8.337/7.767×[（0.525 9）2/（0.775 9）2]×100%=49.3%。

PeakVue Plus 中估計的軸承故障嚴重度為故障等級的49.3%。這與PeakVue 分析師的估計（61.8%）略有不同。軸承故障嚴重性估計值的差異是由于PeakVue Plus 計算實際的周期性百分比，而使用PeakVue 的分析師依賴于周期性百分比估計值。盡管這些嚴重性估計值有所不同，但這兩種過程都能在軸承故障的早期至中度階段提供軸承故障的指示。

PeakVue Plus 中使用了量規，以提供標準化的軸承故障嚴重性。故障級別始終為滿量程的80%。因此，通過在式6 中輸入適當的值，可得出該軸承故障的嚴重程度，范圍為1～100（該范圍內，故障等級等于80）度量軸承嚴重性=85.86×[（0.5259）2/（0.7759）2]×100%=39.4%。

圖5 為一個量規示例，顯示了該日歷輥滾動軸承的缺陷嚴重程度。

圖5 日歷輥操作側軸承嚴重程度的機械和潤滑量規指示

2.8 潤滑嚴重程度

當周期能量百分比≤50%和MaxPk>報警限值，表示僅與潤滑有關的軸承狀況。也可能存在軸承潤滑不足的情況。因此，潤滑嚴重程度也可以計算存在機械故障的軸承。

潤滑問題的嚴重性取決于原始波形的MaxPk 值和相關自相關波形指示的噪聲百分比（也稱為非周期能量百分比）。

（1）非周期能量百分比（%NPE）定義為PeakVue（原始）頻譜中與對應的隨機振動（信號）的能量百分比。

非周期能量百分比通過從PeakVue 頻譜中的能量減去相應的周期能量計算（式11）。

（2）潤滑嚴重性定義為:

相對于潤滑故障的儀表顯示，

本例中軸承的非周期能量百分比為50.85%。因此，式（12）中計算的潤滑嚴重度為54.6，而0～100 內的量規式（13）的潤滑嚴重度為43.7。

圖5 為軸承潤滑缺陷嚴重程度的量規示例。需要注意，手動計算用戶的故障級別相關的潤滑嚴重性為45.5%，而PeakVue Plus 估計為54.6%。同樣，估計值中的微小差異是因為用戶基于從自相關波形計算出的周期性百分比的估計值來導出周期性，繼而得出非周期性。PeakVue Plus 技術采用更嚴格的專利運算，產生更精確的非周期能量值，從而得到潤滑的嚴重性。

2.9 小結

根據PeakVue Plus 評估，懷疑下側日歷輥的操作側存在軸承缺陷。客戶需要軸承再使用兩周，然后計劃停機。其間每天進行PeakVue 測量，必要時對軸承進行潤滑，堅持兩周時間。圖6 顯示了該軸承的外圈缺陷及程度。圖5 中的軸承缺陷量規表明軸承缺陷處于早期至中度階段，如圖6 所示，軸承磨損得到了證實。

圖6 下側日歷輥操作側軸承外圈缺陷

3 結語

長期以來，PeakVue 技術一直是一種非常可靠的方法，可以在任何劣化階段檢測滾動軸承故障。PeakVue Plus通過尋找周期性成分來自動預測滾動軸承的機械和潤滑故障，從而進一步升級了該技術。該技術顯示了安裝在日歷輥操作側的軸承狀況所需的步驟。PeakVue Plus 采用PeakVue 波形并完成所有繁瑣的計算，以提供與滾動軸承相關的機械和潤滑問題的簡明嚴重性判斷。

用于滾動軸承分析的PeakVue Plus 技術已融入艾默生的許多預測性維護軟件和硬件產品中。軸承分析的PeakVue Plus技術最初是在AMS2140 分析專家中的應用程序，這是AMS 無線振動監測器的一個突出特點。它在AMS Machinery Manager軟件和Machine Works 軟件中都可以作為PeakVue 波形分析的輔助工具，同時包含在AMS Asset Monitor 的基于規則的分析中。