基于振動特性的電機軸承故障診斷

韓風梅，戴風濤

（中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆獨山子 833699）

0 引言

電機是化工企業生產中的重要設備，其在使用過程中出現振動異常的情況，對化工企業連續性、長周期生產的平穩運行造成不利局面，嚴重時甚至會造成電機損壞。振動作為轉動設備運行過程中存在的明顯現象，其中包含很多運轉部件的特征信息，基于振動特性的電機滾動軸承的狀態監測與故障診斷一直以來都是狀態監測的重要內容。在運行過程中，電機滾動軸承如果出現異常或發生故障，其特征便能在振動信號頻譜中明顯地體現出來，通過對振動特性進行監測分析，是及時發現電機故障的一種非常有效的手段[1]。軸承故障占電機總故障的40%以上。工業設施中的大多數軸承在非理想的條件下運行，常受到疲勞、環境機械振動、過載、軸心錯位、污染、電流開槽、腐蝕、不正確的潤滑等影響，開始只是導致邊緣缺陷，然后這些缺陷會在軸承內圈、外圈和滾珠組件中傳播和擴散增大。經過了一段時間缺陷變得明顯，便產生了機械振動并且引起聽覺噪聲[2]。通過基于振動特性的狀態監測技術，可以提高預知性檢維修，減少設備故障發生率，大大縮減相關維修費用，經濟效益明顯。

1 軸承故障經過

石化公司某廠擠壓機電機為AEG 公司制造，功率1800 kW，額定電壓6 kV，頻率為50 Hz，額定電流215 A，轉速為990 r/min，剛性基礎，轉軸中心高475 mm，絕緣等級為F 級。負荷側軸承型號為SKF NU234+6038，風扇軸承型號為SKF NU234。

2022 年1 月10 日，日常監測中發現電機負荷側聲音異常，采用vm-63 便攜式測振儀監測振動，負荷側軸承軸向振動烈度在4.2～7.6 mm/s，垂直和水平振動無增大趨勢；風扇側軸承聲音正常，振動烈度最大為1.0 mm/s，電機負荷側軸承軸向振動明顯增大。兩軸承的最高溫度為62 ℃，溫度正常。電機軸承補充潤滑脂后振動有所降低，但仍在2.2～4.7 mm/s 波動。1 月11 日，使用SKF CMXA80 振動數據采集儀再次進行離線監測精密診斷，采集數據如表1 所示。

表1 2022 年1 月11 日電機軸承振動監測采集數據

根據GB/T 6075.3—2011《機械振動在非旋轉部件上測量評價機器的振動》，額定功率大于500 kW 并且小于50 MW 的大型設備，轉軸中心高不小于315 mm，剛性基礎，振動評定等級為：A 級≤2.3 mm/s，2.3 mm/s＜B 級≤4.5 mm/s，4.5 mm/s＜C級≤7.1 mm/s，D 級＞7.1 mm/s。電機風扇側軸承振動烈度最大為0.7 mm/s，軸承振動評定等級為A，風扇側軸承振動正常；負荷側軸承振動烈度1.7～4.9 mm/s，且存在非周期性波動，最大值為4.9 mm/s，電機負荷側軸承振動評定等級為C，不適宜連續長周期運行。

負荷側軸承軸向振動頻譜圖如圖1 所示，可以看出主振頻及主要波動頻率均為262.5 Hz，該頻率近似四倍SKF 6038 軸承滾動體故障特征頻率，由此判斷電機軸承滾動體磨損。

圖1 電機負荷側軸承軸向振動頻譜圖

依據SKF 滾動軸承加速度包絡gE 值（無量綱）、軸承運行狀態判定的參考標準，在轉速為500～1000 r/min 時，gE 值不大于2.0gE 的為綠區，介于2.0gE～4.0gE 的為黃區，大于4.0gE 的為紅區。該電機轉速為990 r/min，由此判定風扇側軸承沖擊值處于綠區、軸承正常，負荷側軸承沖擊值處于紅區。

主電機負荷側軸承沖擊頻譜圖如圖2 所示，可以看出電機負荷側軸承沖擊譜中存在131 Hz 及其諧波，該頻率近似二倍SKF 6038 軸承滾動體故障特征頻率。

圖2 主電機負荷側軸承沖擊頻譜圖

綜上分析，電機負荷側軸承振動存在以下特性：①軸承軸向振動超標，且存在非周期性波動；②軸承振動頻譜圖中，主振頻及主要波動頻率均為262.5 Hz，該頻率近似四倍SKF 6038 軸承滾動體故障特征頻率；③軸承沖擊值位于紅區，沖擊譜中存在131 Hz 及其諧波，該頻率近似二倍SKF 6038 軸承滾動體故障特征頻率。

振動譜圖中出現故障頻率特征及其諧波，表明軸承存在損壞。當軸承表面局部損傷時，在運行的過程中要撞擊接觸表面并產生沖擊脈沖力，振動加速度包絡信號也同時出現故障特征頻率和諧波分量，軸承的損傷程度將逐步加劇[3]。因此判定負荷側定位軸承（KSF 6038）磨損間隙變大、滾動體故障、軸承異常磨損，建議運行部及時停機，檢查軸承、定位環磨損情況及配合間隙，并更換軸承。

2 電機軸承故障檢修驗證情況

2022 年1 月13 日，機組停機電機拆檢。經解體檢查發現，負荷側軸承（SKF NU234+6038 雙軸承）中NU234 軸承滾動體表明光潔度良好，SKF 6038 軸承滾動體表面粗糙度高、有輕微剝落，滾動體磨損變形，軸承內圈有明顯偏磨痕跡（圖3）。電機軸向振動出現非周期性波動的原因，是負荷側軸承滾動體光潔度損壞，輕微的剝落、不均勻的磨損所致。同時也驗證了負荷側軸承滾動體故障、軸承異常磨損的診斷結論，避免了設備故障。

圖3 主電機負荷側SKF 6038 軸承拆檢情況

3 主電機負荷側軸承故障原因分析

在電機中，軸承雖然只是支撐轉子的一個部件，但是電機多種故障是以軸承振動大、發熱等形式反映出來的[4]。

受長期載荷變化的影響，滾動軸承的滾動體和內外滾道產生的疲勞裂紋，首先出現在接觸面下最大交變剪應力區域，隨后會逐漸延伸到接觸表面，在接觸表面會產生斑點狀的剝落，隨著運行時間的增加斑點狀剝落會慢慢發展為更大的疲勞剝落。疲勞剝落是滾動軸承失效的最主要原因，因此軸承的使用時間取決于其疲勞壽命。

磨損的主要原因是，滾珠與滾道之間的相對運動以及有異物進入滾道而引起的表面磨損。另外，潤滑狀態不良也會加劇軸承磨損進度，當軸承游隙超過最大允許游隙時，致使其表面粗糙度增加從而降低了軸承的工作精度，最終導致軸承無法正常工作而發生故障。

結合監測及軸承拆檢情況進一步分析，振動特性反映出負荷側軸承軸向振動大且存在非周期性波動。拆檢發現，負荷側軸承內圈有偏磨的痕跡，說明軸承承受了較大的軸向機械力。負荷側軸承只是該電機的定位軸承，軸向承載能力較差。進一步檢查發現，聯軸器彈性柱銷磨損，使得軸向力的緩沖能力降低，最終導致負荷側定位軸承滾動體磨損、內圈偏磨。電機負荷側的聲音異常，是由于軸承上疲勞斑點增大共振時發出的叫聲。

2022 年1 月14 日，電機軸承更換后再次進行振動監測，負荷側軸承振動烈度最大0.6 mm/s，風扇側軸承振動烈度最大為0.5 mm/s，電機兩側軸承振動正常，軸承的聲音、溫度均正常。

4 總結

（1）利用軸承狀態監測技術可以了解軸承的運行狀況，并對可能發生的故障進行早期檢測，指導設備預知性維護檢修。

（2）通過振動特性監測結合譜圖分析，可以快速、準確、高效地判斷出故障原因及類型。

（3）基于振動特性的故障診斷，進一步提高了設備的管理水平和維修效率，經濟效益明顯。