淺談基于振動監測系統預判某煙化爐高溫排煙機軸承故障

白云風，侯豐，李立

(云南馳宏資源綜合利用有限公司，云南 曲靖 530302)

1 前言

某主營鉛鋅鍺系列產品、半成品、伴生有價金屬的冶煉企業，核心動力設備主要包含排煙機、鼓風機、3K風機、發電機，空壓機以及泵等，作為企業的“心臟”，這些設備為生產運行提供源源不斷的動力，一旦某個環節意外中斷，對整個生產系統都會產生巨大的沖擊，嚴重時則導致裝置停工，如果核心裝置停工，經濟損失將達人民幣數百萬元以上乃至更多，并且關鍵設備一旦意外停機可能引起一系列安全和環保事故，因此企業面臨著巨大的管理壓力。與此同時，隨著社會經濟的飛速發展，企業為了追求更高的經濟效益，不斷地加大生產力度，使冶金機電設備保持著長周期、高強度、高負載的工作狀態，在長時間的運行中不可避免會存在諸多的設備故障隱患，在引入振動監測系統之前，該企業主要是依賴人工常規點檢的巡檢方式，粗略評估設備運行狀態，期間發生過多起設備意外停機事故，嚴重影響生產計劃，面臨突發事故，時間緊、任務重，檢修人員也十分被動，為了打破這種常規的管理模式，設備管理人員經過多次調研，實施基于振動監測系統的預測性維修管理模式。

2 振動監測診斷技術

振動監測分為在線監測和離線監測，在線監測是對設備的運行狀態進行連續、實時監測，而離線監測是按照一定周期對設備進行的重復性檢查和診斷。2種監測方式原理是一樣的，首先，應用儀器采集振動信號；然后，通過專業信號處理技術提取反映被診斷設備狀態的特征信號；最后，由專業振動分析人員對特征信號進行對比分析判定設備故障程度及部位。通過振動監測與診斷技術對旋轉設備診斷的故障，包括不平衡、不對中、軸彎曲、旋轉松動、軸承磨損、油膜渦動、齒輪偏心及磨損、結構共振、電機電氣故障等。

基于振動監測診斷技術進行設備管理可以有效指導設備檢修，提高設備管理水平，實施振動監測診斷技術可以掌握設備的狀態變化規律及發展趨勢，防止事故于未然，將事故消滅在萌芽，獲得潛在的巨大經濟和社會效益，有助于減少使用、維修費用，從而從整體上降低設備的壽命周期費用，最大限度提高管理水平。

3 滾動軸承故障機理及特征

3.1 滾動軸承故障機理

當滾動軸承存在諸如內圈故障或滾動體故障等缺陷時，運作過程中會產生周期性沖擊力，并激發系統以固有頻率進行高頻衰減振動，這種高頻固有振動作為軸承故障信號的載波，其幅值將受到這些故障引起的振動信號的調制，從而使滾動軸承的最終振動時域波形表現為復雜的幅值調制波。由于這種調制波的調制頻率與故障缺陷特征頻率相對應，因此調制波所對應的復雜頻率成分中含有與故障缺陷對應的故障特征頻率，通過Hilbert解調技術，能將滾動軸承的故障缺陷信息從復雜的調幅信號中分離出來，為了更好地描述滾動軸承故障信號，建立數學模型如下：

x(t)表示滾動軸承故障振動信號；iA表示調制信號，其中A0為初始幅值，設定為1；fr為調制頻率，設定為20Hz；φ為初始相位,設定為0；c為常數1；s(t)表示衰減沖擊信號，脈沖周期為51Hz，fn表示固有頻率，設定為1500Hz，ξ表示衰減系數，設定為250；n(t)為高斯白噪聲。

通過仿真得到故障信號如圖1所示。

圖1 仿真故障信號時域波形

仿真信號頻譜如圖2所示觀察發現，頻譜中低頻段無明顯譜峰，在1500Hz處附近有明顯的譜峰，滾動軸承故障仿真信號中的衰減振動信號所給定的固有頻率也為1500Hz，與理論一致。

圖2 仿真故障信號頻譜

3.2 基于Hilbert包絡解調提取故障特征

對1500Hz附近的頻段信號進行帶通濾波分離出高頻固有振動信號，濾出后的信號如圖3所示，此時沖擊能量較高，是很明顯故障信號，然后對濾出后的信號進行Hilbert包絡解調，結果如圖4所示，包絡解調后需要進行FFT變換得到包絡譜，便于分析故障特征頻，包絡譜如圖3所示。

圖3 濾波信號時域波形

圖4 濾波信號包絡譜

細化后的包絡譜中可以發現51Hz頻及其倍頻102Hz、152Hz較為明顯，如圖5所示，與仿真的周期性衰減振動信號的周期51Hz一致，即滾動軸承故障特征頻，與圖2所示的頻譜進行對比分析，發現經過Hilbert包絡解調再進行FFT變換后滾動軸承早期故障特征較為明顯，對于分析滾動軸承早期故障有著明顯的診斷優勢，并且分析結果與理論值完全吻合，從理論上說明了Hilbert包絡解調法可用于滾動軸承早期故障診斷。

圖5 細化包絡譜

4 某煙化爐排煙機軸承故障案例分析

4.1 機組信息

該排煙機由電機、風機組成，機組信息如表1所示。

表1

4.2 振動概況

2021年6月24日至7月15日，該排煙機電機驅動端振動速度由4.1mm/s漲至6.6mm/s，電機驅動端振動加速度由13m/s^2漲至49m/s^2，風機振動約3.5mm/s，沒有異常變化趨勢。

4.3 機組故障診斷

電機驅動端振動速度波形及頻譜如圖6所示，頻譜中以轉頻及諧波為主，諧波較為豐富，初步分析存在配合部件松動的故障。

圖6 電機驅動端振動速度波形及頻譜

電機振動加速度波形及頻譜如圖7所示，7月15日，4000Hz以上頻段能量明顯升高，以轉頻沖擊為主，初步分析電機軸承存在早期缺陷，導致高頻段能量升高。

圖7 電機驅動端振動加速度波形及頻譜

電機振動加速度包絡譜如圖8所示，電機驅動端2盤軸承型號分別為NU228EC和6228,包絡譜中以轉頻及二倍頻為主，并且近似存在NU228EC軸承的滾動體故障頻率167.2Hz二倍頻及內圈故障頻率一倍頻248.4Hz。

圖8 電機振動加速度包絡譜

4.4 結論以及驗證

綜上所述，根據電機振動加速度包絡譜中存在轉頻沖擊頻率，內圈故障及滾動體故障缺陷頻率，推斷軸承存在早期滾動體及內圈故障；結合電機驅動端振動速度進行分析，振動速度譜中以轉頻及其諧波為主，推測軸承有跑外圈的故障，因此推斷軸承存在早期故障并且外圈跑套，建議盡快拆檢。

拆檢后，發現外圈存在磨損，如圖9所示，證明外圈跑套。

圖9 外圈

內圈上存在點蝕及剝落故障，如圖10所示。滾動體上存在點蝕故障及顏色變化特征，如圖11所示，說明軸承運行過程中存在溫度過高的現象。

圖10 內圈

圖11 滾動體

根據拆檢結果，證實了通過振動監測系統能夠及時發現并診斷設備潛在故障，該排煙機如果繼續運行，軸承將因磨損加劇、溫度升高，導致軸承燒壞、軸頸損傷，并且會造成設備意外停機，延長了檢修時間，加大了檢修難度，嚴重影響生產。

5 結語

狀態監測及故障診斷能夠對設備實行“健康”狀況連續監測，便于故障診斷人員及時、正確、有效地對設備的各種異?；蚬收蠣顟B做出診斷，同時對設備的運行維護進行必要的指導，及時處理故障，確保設備的可靠性、安全性和有效性，避免造成更大的安全事故以及經濟損失。

本文基于振動監測系統針對一起排煙機電機軸承故障進行了分析診斷，及時發現潛在故障，指導檢維修，避免故障擴大而導致設備停機，保障設備平穩運行。