包絡技術(shù)在滾動軸承早期故障診斷中的應用

李志文

（岳陽林紙股份有限公司，湖南岳陽 414000）

包絡技術(shù)在滾動軸承早期故障診斷中的應用

李志文

（岳陽林紙股份有限公司，湖南岳陽 414000）

加速度包絡技術(shù)的檢測原理，結(jié)合設備故障的實際診斷案例，說明加速度包絡技術(shù)對沖擊信號的高度敏感，對檢測軸承早期故障有獨特的優(yōu)勢。

加速度包絡；頻譜分析；軸承故障頻率

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.61

0 概述

軸承（注：以下如無特別說明，均特指滾動軸承）運行的穩(wěn)定性對機器設備的穩(wěn)定運行起著重要作用。因此，人們對軸承的運行狀況不再滿足于“好”與“壞”的判斷，而是希望在軸承出現(xiàn)早期故障時發(fā)現(xiàn)異常，讓生產(chǎn)人員有足夠的時間來合理制定生產(chǎn)計劃，優(yōu)化維修策略，使經(jīng)濟效益最大化。軸承早期故障的診斷方法有加速度包絡，沖擊脈沖，聲發(fā)射等，其中加速度包絡因診斷的實用性和準確性，在實際生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。

1 加速度包絡技術(shù)原理

加速度包絡技術(shù)是利用共振解調(diào)法將軸承故障產(chǎn)生的高頻加速度信號移到低頻段來分析，避免了低頻信號的干擾，并能準確診斷軸承具體故障的元件。以軸承外圈故障為例說明加速度包絡技術(shù)的檢測原理。

圖1為軸承外圈故障示意圖，每當滾動體滾過故障位置時，都將對軸承外圈產(chǎn)生1次沖擊，理想沖擊信號的數(shù)學表達式見式（1），進行傅立葉變換后得式（2）。

式（2）的物理含義是理想的沖擊信號在所有頻段上都具有相同的強度，圖形表達見圖2。根據(jù)沖擊信號的這一特點，當滾動體滾過故障處時所產(chǎn)生的沖擊能量必將覆蓋到軸承外圈的固有振動頻率，并激發(fā)出軸承外圈的固有振動，如圖3所示。

圖1 軸承外圈故障示意

圖2 沖擊信號頻域圖

圖3 軸承外圈固有振動激發(fā)

由于阻尼的存在，固有振動將按指數(shù)規(guī)律進行衰減，此固有振動的頻率一般為幾kHz至幾十kHz。其衰減信號如圖4所示。

圖4 自由振動衰減信號

由于軸承運轉(zhuǎn)的周期性，沖擊信號呈周期性出現(xiàn)，但該信號具有高頻（頻率高）低能（能量低）的特點，很容易淹沒于機器運行、噪聲等所產(chǎn)生的信號中而不易被發(fā)現(xiàn)。因此，在分析原始加速度信號前，先要對加速度信號進行濾波處理，過濾掉低頻信號，提高信噪比，然后再對高頻信號中的周期成分進行包絡檢波，得到?jīng)_擊信號的出現(xiàn)頻率，從而判斷軸承故障。信號處理過程如圖5所示。

圖5 包絡檢波原理

圖中“T”是包絡檢波后得到的沖擊信號的出現(xiàn)周期，根據(jù)頻率與周期的倒數(shù)關系，可得到?jīng)_擊信號出現(xiàn)的頻率。如果沖擊信號出現(xiàn)的頻率與軸承外圈的故障頻率相同，就說明軸承外圈出現(xiàn)了故障。因為滾動體每滾過故障處，就必將對軸承外圈產(chǎn)生1次沖擊，使外圈產(chǎn)生固有頻率振動，而滾動體滾過故障處的頻率就是軸承故障頻率。軸承內(nèi)圈的加速度包絡分析與此相同。

2 加速度包絡技術(shù)的實際應用

應用加速度包絡技術(shù)，不僅可以判斷軸承早期故障，還可以判斷軸承的具體故障元件。以下結(jié)合實際檢測案例說明此項技術(shù)的具體應用。

2.1 胸輥軸承故障

（1）異常現(xiàn)象。三抄車間網(wǎng)部胸輥的振動值由0.5 mm/s突然上升到1.5 mm/s，且傳動側(cè)軸承油脂發(fā)黑，但軸承運行平穩(wěn)，無明顯異響。

（2）包絡分析。振動數(shù)據(jù)顯示，軸承的加速度包絡譜存在明顯的異常。頻譜見圖6。

圖6 胸輥傳動側(cè)軸承加速度包絡譜

從圖6可以看出，引起胸輥振動上升的主要原因為頻率為55.27 Hz的振動，該振動還產(chǎn)生了基于主振頻率的多次諧波。根據(jù)軸承型號與胸輥轉(zhuǎn)速，計算得出軸承外圈故障頻率為55.27 Hz，與該頻率相符，說明軸承外圈出現(xiàn)故障。但該頻率的振動幅值很小，說明軸承故障應處于早期。

根據(jù)診斷意見對胸輥進行監(jiān)護運行，半年后胸輥因為輥面問題下機，檢查軸承發(fā)現(xiàn)軸承外圈有明顯擦傷跡象，見圖7。

軸承實際檢查結(jié)果驗證了此前的判斷。根據(jù)軸承的檢查結(jié)果，判斷軸承未到更換周期還能繼續(xù)運行。

圖7 軸承外圈擦傷

2.2 干燥部帆布輥軸承故障

（1）異常現(xiàn)象。1臺年產(chǎn)20萬t，設計車速1500 m/min的高速紙機，運行過程中干燥部一帆布輥振動異常。

（2）包絡分析。在對帆布輥兩側(cè)軸承振動數(shù)據(jù)進行分析后，發(fā)現(xiàn)傳動側(cè)軸承加速度包絡譜有明顯異常，存在明顯的軸承故障頻率，并且還出現(xiàn)了邊頻帶，見圖8。

圖8 帆布輥包絡譜

圖8數(shù)據(jù)表明，故障頻率為145.6 Hz，并產(chǎn)生了基于該頻率的多次諧波。通過計算，該頻率為軸承內(nèi)圈故障頻率。并且在主頻兩邊還出現(xiàn)了基于輥子轉(zhuǎn)頻的邊頻帶，說明沖擊信號明顯。雖然沖擊信號明顯，但信號的幅值總體來說都較小，因此，判斷軸承故障處于前期，可以監(jiān)護運行。

根據(jù)診斷結(jié)果，并未立即采取維修措施。之后，利用停機時間更換該軸承時，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈有一處約1 mm×2 mm大小的表層金屬剝落，見圖9。軸承檢查結(jié)果與診斷結(jié)果基本一致。

圖9 軸承內(nèi)圈剝落

2.3 齒輪箱軸承故障

（1）異常現(xiàn)象。某紙機因伏輥齒輪箱振動大，長期以來只能被迫低于額定車速運行。齒輪箱直接安裝在輥子上，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意

（2）包絡分析。通過對齒輪箱的振動數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)齒輪箱輸入端加速度包絡值達到30 gE，嚴重超標。包絡譜如圖11所示。

圖11 加速度包絡譜

從圖11中數(shù)據(jù)分析，軸承外圈故障頻率（BPFO）的4×頻與齒輪嚙合頻率（GMF）幾乎重合。說明激起軸承故障頻率的沖擊能量與齒輪嚙合時所造成的沖擊能量是同步的，進一步計算發(fā)現(xiàn)，這種同步與車速無關，它隨車速而變化，并時刻保持同步。這種同步使設備產(chǎn)生了類似共振的振動，制約了紙機的提速。

根據(jù)論斷結(jié)果，重新采購了齒輪箱備件，并對齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了重新設計。新備件安裝后，紙機提速正常，運行情況良好。

3 結(jié)語

加速度包絡技術(shù)對沖擊信號非常敏感，對檢測軸承早期故障有獨特的優(yōu)勢。但在實際運用中必須注意，當軸承故障發(fā)展到中后期時，此時由于滾道磨損、剝落嚴重，滾動體滾過故障處時將很難產(chǎn)生沖擊能量，這樣在加速度包絡譜中反而很難檢測到軸承故障信號。因為此時軸承的故障頻率主要表現(xiàn)為通過頻率，而非沖擊能量所激起的軸承故障頻率。因此，在對軸承進行故障診斷時，還需要結(jié)合速度譜進行分析，單純依靠加速度包絡分析易產(chǎn)生漏判和誤判。

TH133.33

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〔編輯 李 波〕