旋轉機械設備滾動軸承故障診斷技術研究

劉思橋，左學謙

（武昌首義學院機電與自動化學院，湖北武漢 430064）

0 引言

旋轉機械是工業生產中應用最廣泛的機械設備，其種類繁多，在發電機、汽輪機、離心式壓縮機、水泵、通風機及電機等設備中均有應用。旋轉機械的主要功能由旋轉動作完成，轉子是其中最主要的部件[1]。旋轉機械設備故障是指機械的功能失常，即動態性能惡化，不符合技術要求[2]，例如機械運行失穩、異常振動、噪聲，機械工作轉速、輸出功率以及介質溫度、壓力、流量的異常變化等。

機械故障的類型和原因不同，反映出的信息也不同。根據機械故障反映出的特征信息，可以對機械故障進行診斷[3]。滾動軸承多應用在中小型旋轉設備中，用于連接轉動與靜止部件，支撐軸系等轉動部件，并承受設備的負載。本文針對旋轉機械設備中容易發生故障的滾動軸承進行狀態診斷，其中重要的特征信號是機械的異常振動。振動信號的幅值域、頻率域和時間域能實時地反映出設備故障信息[4]，故采用振動分析法較為簡單靈活，可靠性較高。

1 振動故障診斷流程

隨著生產規模的不斷擴大，生產過程中設備的數量不斷增多，工作強度不斷增大，生產效率、自動化程度也越來越高。一旦設備出現故障，往往會因為其具有較高的精度和機械復雜程度，以及在維修時受到配件、人員、技術條件等多方面限制，使拆卸工作時有所顧忌，導致難以迅速確定故障源，不能及時、精準地修復進行[5]。但是故障如不及時發現處理，不僅會影響生產，造成重大經濟損失，甚至導致整個設備及相關環境的破壞。振動信號普遍存在于運轉的機械設備中，當旋轉機械設備的內部發生異常時，一般都會通過振動和工作性能的變化的形式反映出來。

故障是指機械設備喪失其原來所規定的性能或狀態。通常把設備在運行中所發生的狀態異常、缺陷、性能惡化以及事故前期的狀態都統稱為故障，有時也把事故直接歸為故障[6]。

故障診斷則是根據狀態監測所獲得的信息，結合設備的工作原理、結構特點、運行參數、歷史狀況，對可能發生的故障進行分析、預報，對已經或正在發生的故障進行分析、判斷，以確定故障的性質、類別、程度、部位及趨勢，對維護設備的正常運行和合理檢修提供正確的技術支持[7]。振動故障診斷流程如圖1 所示。

圖1 振動故障診斷流程

2 滾動軸承故障分析

2.1 基本結構

滾動軸承是將運轉的軸與軸承座之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密機械元件，一般由內圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。內圈的作用是與軸相配合，并與軸一起旋轉；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體借助保持架均勻地分布在內圈和外圈之間，其形狀、大小和數量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使滾動體均勻分布，引導滾動體旋轉，并起潤滑作用[8-9]。滾動軸承的基本結構如圖2 所示。

圖2 滾動軸承基本結構

2.2 滾動軸承故障特征頻率

滾動軸承故障一般在發展到滾動體和保持架出現故障之前，首先出現的是內圈或外圈故障頻率。滾動軸承故障的特征頻率就是軸承故障產生時的振動頻率[10]。滾動軸承故障特征頻率如圖3 所示，其中：

圖3 滾動軸承故障特征頻率

（1）外圈故障頻率BPFO 是1 s 外圈上某一損傷點與滾動體接觸的次數[11]，計算公式為：

（2）內圈故障頻率BPFI 是1 s 內圈上某一損傷點與滾動體接觸的次數，計算公式為：

（3）滾動體故障頻率BSF 是1 s 滾動體上某一損傷點與內圈或外圈接觸的次數，計算公式為：

（4）保持架故障頻率FTFO 是1 s 保持架上某一損傷點相對于外圈旋轉的圈數[12]，計算公式為：

式中，n 為滾動體數量；N 為軸的轉速。

綜上分析可知：①外圈特征頻率是保持架特征頻率的整數倍；②內圈+外圈=轉頻整數倍。

2.3 常見故障部位

滾動軸承是運轉設備中最重要的部件，其狀態是否良好直接影響設備的運轉率[13]。滾動軸承的常見故障包括：內滾道故障、外滾道故障、滾動體故障、保持架碰外環故障和保持架碰內環故障[14]。故障部位信號特征為：

（1）外圈故障的信號特征：時域波形中存在明顯的周期性較均勻沖擊[15-16]，沖擊間隔頻率為外圈故障特征頻率，幅值無調制現象，基本上處于同一水平；頻譜中存在外圈故障特征頻率及其諧頻，無邊帶現象。

（2）內圈故障的信號特征：時域波形中存在規律性的小間隔沖擊，大間隔的周期性調制；頻譜中存在內圈故障特征頻率及其諧頻，并伴有轉頻邊帶或者保持架邊帶。

（3）滾動體故障的信號特征：時域波形中滾動體故障與內圈故障類似，會出現保持架特征頻率的調制現象，但是調制信號的頻率不同；頻譜/包絡譜中存在滾動體故障特征頻率及其諧頻，并伴有保持架邊帶。

（4）保持架故障的信號特征：時域波形中存在周期性沖擊，沖擊間隔頻率為保持架故障特征頻率；頻譜/包絡譜中存在保持架故障特征頻率及其諧頻，無其他故障現象。

當頻譜中的故障特征頻率被淹沒時，通過包絡解調可清晰地發現保持架、滾動體特征。

3 實例分析

旋轉機械設備的振動信號是其綜合性能的直接反映，據統計70%以上的故障都是以振動形式表現出來的[17]。因此，通過振動監測可以及時了解該設備的健康狀態，即根據時域和頻域分析相結合的方法，對滾動軸承進行進一步地診斷，確定其潛在的故障位置、故障嚴重程度及原因，進而提前制定出合理的檢修方案，避免因設備突然失效所造成的損失。本文以石油工業中由減三及二中泵組成的P1113A 雙支撐穩態機組為例進行分析，其型號為250AYST-150x2C，功率為207 kW。該機組主要由電機、聯軸器以及減三及二中泵三部分組成。

3.1 振動監測

減三及二中泵的振動監測采用加速度傳感器，其型號為RH505，振動量程為±50 g；采樣頻率為1280 Hz～51.2 kHz；頻率響應為±3 dB；線性度為1%，此傳感器具有極寬的頻帶和很大的動態變化范圍，靈敏度較高[18-19]。

將電機與泵組成的結構作為一個整體，其中某個部件的異常將會引起其他部件的振動波動，并且對于產生的不對中、聯軸器等故障，需要結合電機2H 測點振動進行判斷。因此，該機組的測點布置主要分為電機端和泵端（表1），現場測點安裝位置如圖4 所示。

表1 現場測點布置情況

圖4 現場測點安裝圖

圖4 中，振動監測點大部分在機身表面上選取，傳感器采用膠粘方式安裝，安裝面需光滑平整[18]。

3.2 振動狀態分析

該雙支撐穩態機組的電機自由端采用SKF NU317 圓柱滾子軸承，電機負荷端采用FAG 6317 深溝球軸承，泵負荷端采用SKF 6217 深溝球軸承，泵自由端采用NSK 7314B 角接觸球軸承，且均為在穩態下運行。其中，電機的額定轉速為2373 r/min，轉頻為2373/60=39.55 Hz。根據具體軸承參數，可計算出滾動軸承故障頻率（表2）。

表2 滾動軸承故障頻率 Hz

各測點加速度趨勢圖如圖5 所示。3H、3V 測點的加速度總值自啟機后開始出現緩慢波動上升，近期總值又上升至一個新的臺階，兩者之間的變化趨勢具有明顯的同步性，4H、4A 測點加速度總值自啟機后緩慢上升又下降至新的平臺趨于穩定，近期也有快速上升的趨勢。

圖5 各測點加速度趨勢

各測點速度趨勢圖如圖6 所示。該機組自2021 年6 月1 日開始，定子H、2H、3H、3V 以及4H 測點速度均開始出現緩慢上升的現象，之后又短暫下降，3H 測點振動速度自2021 年4 月開始持續上升，同時出現了較頻繁的偶發性高點。

圖6 各測點速度趨勢

綜上所述，機組加速度、速度總值發生了明顯變化，判斷機組運行狀態已發生了變化，且在持續劣化。

4A 測點速度多頻譜圖如圖7 所示。從4A 測點處的速度多頻譜中可以明顯看出，轉頻（39.55 Hz）及諧波能量在不斷增加，諧波數量較多且不斷增加，底部的噪聲也明顯抬起，說明泵的自由端松動特征顯著。

圖7 4A 測點速度多頻譜圖

2021 年5 月6 日4A 測點加速度時域波形圖如圖8 所示。從頻譜圖可看出，4A 測點存在較明顯轉頻周期間隔沖擊，機組出現磨碰特征。

圖8 4A 測點加速度時域波形圖

2021 年7 月14 日4A 測點加速度時域波形圖如圖9 所示。從時域波形圖可看出，4A 測點加速度時域波形沖擊特征消失，但振動總值在不斷增加，進而可以推測出泵自由端軸承與密封件的磨碰較大。

圖9 4A 測點加速度時域波形圖

3H 測點速度多頻譜圖如圖10 所示。從3H 測點不同時間節點處的速度多頻譜中可看出，轉頻諧波數量有所增加，諧波能量有上升。

圖10 3H 測點速度多頻譜圖

3H 測點時域波形圖如圖11 所示。3H 測點的時域波形從6 月2 日開始出現短暫性沖擊，沖擊幅值較高，最高可達75 m/s2。

圖11 3H 測點時域波形圖

4A、3H 測點的速度頻譜中轉頻諧波非常豐富，機組松動特征顯著；時域波形中存在轉頻間隔的沖擊，機組存在轉子磨碰特征。結合機組轉頻諧波豐富及轉子磨碰可知泵的自由端軸承密封器件可能存在明顯磨損，密封內徑明顯磨大，導致定位軸承的軸向力增大，保持架出現卡澀，軸承磨損明顯加劇，最終會導致軸承損壞、聯軸器對中不良等一系列問題。2021年6 月16 日4A 測點的加速度總值出現上升，主要表現為9000～11 000 Hz 頻段能量增加，時域波形中存在沖擊，整體沖擊幅值較高。對4A 測點17 日的長波形9000～11 000 Hz 頻段進行包絡解調分析可知，頻譜主要為轉頻及其諧波。4A 測點包絡解調圖如圖12 所示。

圖12 4A 測點包絡解調圖

4A 測點包絡解調圖如圖13 所示。2021 年6 月17 日以后，4A 測點長波形包絡譜中出現明顯的保持架故障特征頻率。

圖13 4A 測點包絡解調圖

3H 測點長波形時域波形頻譜分析圖如圖14 所示。對近期3H 測點的長波形時域波形頻譜進行分析，可看出全頻段的連續能量譜峰群存在明顯的摩擦特征。

圖14 3H 測點長波形時域波形頻譜分析圖

3H 測點的長波形包絡解調圖如圖15 所示，圖中可見清晰的116.602 Hz 頻率及豐富的諧波。由圖可知，存在161.426 Hz頻率及其諧波，并伴有較豐富的轉頻邊帶。

圖15 3H 測點長波形包絡解調圖

3V 測點長波形包絡解調圖如圖16 所示。從3V 測點的長波形包絡解調譜中可見明顯的保持架及外圈故障特征頻率，并轉頻及其諧波數量較多且帶有保持架邊帶。

圖16 3V 測點長波形包絡解調圖

從3H 測點近期頻譜分析可見連續的能量譜峰群。針對3H 和3V 能量增加部分進行包絡解調，可發現明顯的軸承外圈及保持架特征頻率及其諧波，諧波能量較高且數量豐富，具有明顯的保持架卡澀，磨損特征明顯的特點。結合近期3H、3V 加速度總值突然上升，4A 測點磨碰特征消失的情況，可以判斷自由端軸承密封件被磨大，負荷端軸承軸向力變大，導致保持架卡澀，振動明顯加劇。

因此，綜上分析可看出泵出現嚴重劣化，得出以下診斷結論：①泵自由端定位軸承嚴重松動，轉子回轉中心不穩定，轉子與密封等器件磨碰明顯，近期磨碰特征消失，密封器件被磨大，密封存在泄漏；②泵自由端定位軸承嚴重松動后，泵前端軸承已承受較大的軸向力，軸承預緊力過大，導致軸承摩擦特征明顯。

導致出現以上問題的根源在于：泵自由端軸承松動導致轉子回轉中心不穩定，轉子與密封件或軸肩等有磨碰，繼而造成密封件被磨損嚴重使得泵負荷端軸承軸向力增大，軸承預緊力過大，導致保持架卡澀，摩擦特征明顯。

因此，根據以上分析進行檢維修過程得出的診斷結論，給出以下檢修建議：①盡快停機檢查泵自由端定位軸承是否存在嚴重松動，檢查軸承端面、軸肩是否有摩擦痕跡，檢查軸承座是否有磨損，若有磨損應酌情修復或更換軸承；②檢查泵自由端密封是否存在泄漏；緊固泵驅動端軸承座與座孔連接螺栓（圖17）。

圖17 滾動軸承故障檢修

4 結論

振動監測對設備故障的早期診斷有著積極的現實意義，有助于及時、有效地掌握設備性能，實現設備由計劃性維修和預防性維修向預知性維修的轉變，從而使其設備健康處于可控狀態。本文以減三及二中泵為例，采用振動分析法，運用頻譜、時域波形、包絡解調等分析工具來實現故障診斷，能夠降低設備維護成本5%～10%，節約計劃維護時間20%～50%，并提升設備運行時間10%～20%，具有較大的工程實用價值。