振動分析設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷

尹大山 徐 龍 劉乃啟

1．引言

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為企業(yè)生產(chǎn)的核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密，不易修復(fù)，供貨周期長，如其失效，必定會造成系統(tǒng)性長時間停機(jī)。通過在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，可有效對大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)管控。

1.1 提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性、安全性

在線監(jiān)測技術(shù)能夠及時、正確地對機(jī)組的各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，預(yù)防或消除故障，避免重大事故發(fā)生，保證設(shè)備安全，可靠運(yùn)行。

1.2 給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益

由于在線監(jiān)測技術(shù)能避免因突發(fā)性故障發(fā)生造成的經(jīng)濟(jì)損失，延長機(jī)組使用壽命。還能為制定有計劃的維修提供依據(jù)，可在適宜時間安排維修，縮短維修時間，減少備件數(shù)，降低設(shè)備的維修費(fèi)用，能給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2．大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障

2.1 滾動軸承故障

2.1.1 軸承故障類型。影響滾動軸承壽命的因素主要有：載荷、潤滑、裝配、腐蝕、制造缺陷、正常的疲勞。

常見的失效形式主要有：疲勞剝落、裂紋和斷裂、壓痕、磨損、電流腐蝕、銹蝕、潤滑失效。

2.1.2 滾動軸承的振動特征與分析方法。滾動軸承有缺陷時，會產(chǎn)生激振力，不同故障類型發(fā)出的激振力的頻率一般是有規(guī)律的，這些頻率稱為特征頻率或故障頻率。

1）幅值判別。振動信號的有效值即為振動能量的大小。當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后，其振動會增大。可以用有效值作為軸承異常的判斷指標(biāo)。

2）頻譜分析。根據(jù)滾動軸承的運(yùn)動關(guān)系式計算，得到各項特征頻率，在頻譜圖中找出變化，從而判別故障的存在與部位。

對于頻譜中，不僅需要觀察軸承特征及諧波特征，還需關(guān)注軸承特征所帶有的邊帶特征。需要關(guān)注邊帶特征的對稱程度、豐富程度、軸承特征能量相比的邊帶能量大小，邊帶特征是判斷缺陷嚴(yán)重程度的有效手段。

3）時域波形分析。重點(diǎn)在信號的沖擊、調(diào)制特征，明確調(diào)制及沖擊的間隔。對于沖擊需要明確是否具有周期性。沖擊的周期性或隨機(jī)性對于故障判斷的定位、缺陷嚴(yán)重程度有重要的意義。

4）包絡(luò)解調(diào)法。也稱包絡(luò)檢波頻譜分析法，是目前滾動軸承故障診斷中最常用的方法之一。

2.2 齒輪故障

2.2.1 齒輪輪齒失效形式有：齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、輪齒折斷、齒面膠合、輪齒塑性變形。

2.2.2 故障齒輪頻譜和波形特征。

1）故障齒輪在嚙合頻率及其諧波頻率上有較大的振動分量。在相同工作條件下，將故障齒輪箱頻譜與基準(zhǔn)頻譜進(jìn)行對比，要注意頻譜中的嚙合頻率及其二倍和三倍頻。根據(jù)明顯增大的嚙合頻率分量和其諧波分量，可以確定故障的齒輪。其方法是看嚙合頻率幅值的消長和諧波的分布。

2）在嚙合頻率及其諧波頻率附近有表明調(diào)制作用的邊頻帶。在對比基準(zhǔn)頻譜時，注意嚙合頻率及其二倍和三倍頻有無邊頻帶。根據(jù)邊頻的頻率間隔，確定故障（即產(chǎn)生調(diào)制的故障所在），邊頻幅值的大小，表明故障的嚴(yán)重程度。

3）齒輪缺陷產(chǎn)生的沖擊可以激發(fā)一個或多個齒輪的自振，自振頻率是各齒輪的固有頻率。在自振頻率兩側(cè)有故障齒輪轉(zhuǎn)速調(diào)制產(chǎn)生的邊頻，在高分辨率細(xì)化譜上也可以進(jìn)行診斷。

表1 設(shè)備基本參數(shù)

4）利用連續(xù)監(jiān)測判定齒面點(diǎn)蝕剝落程度。新齒輪全頻范圍內(nèi)振動水平低，嚙合頻率分量及其二、三次諧波分量的幅值依次減小。中等點(diǎn)蝕程度的齒輪，頻譜振動水平增大，嚙合頻率二次諧波幅值超過基波幅值，且二次諧波邊頻增多。

5）對于螺線齒輪、斜齒輪和人字齒輪，軸向振動大，其頻譜特征與徑向振動相同。

3．大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的應(yīng)用

通過在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，發(fā)現(xiàn)某帶鋼生產(chǎn)線精軋機(jī)振動異常，跟蹤發(fā)現(xiàn)在軋制薄規(guī)格（0.9mm-1.1mm）時軋機(jī)振動異常，對其進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。見表1。

3.1 設(shè)備狀態(tài)分析

1）齒輪基座加速度時域可見團(tuán)狀調(diào)制，非沖擊，間隔為2.457hz；頻譜中73.75hz（為2.461hz的29.97X，近似齒輪嚙合頻率）存在大量諧波，且?guī)в?.461hz邊帶；可見此能量存在一個較寬頻帶，與所帶邊帶不成一定比例。

2）齒輪基座加速度時域可見團(tuán)狀調(diào)制，非沖擊，間隔為2.447hz；頻譜中90.547hz（為2.441hz的37.09X，鼓形齒頻率）諧波特征顯著，且?guī)в型捷嗈D(zhuǎn)頻2.441hz邊帶；同時可見70.977hz（為2.441hz的29.07X，近似齒輪嚙合頻率）諧波，攜帶2.441hz少量邊帶，應(yīng)為同步齒嚙合頻率，幅值相對較低。

3）齒輪基座速度時域可見非沖擊；頻譜中16.719hz諧波特征顯著。

4）減速機(jī)頻譜中仍可見 90.547hz 能量帶有2.441hz 邊帶，同時可見 115.039hz 諧波，為減速箱齒輪嚙合頻率（此時減速箱 1 軸輸入轉(zhuǎn)頻約為4.79hz），未見顯著邊帶。包絡(luò)解調(diào)可見減速箱 1軸軸承外圈及保持架特征（外圈約保持架 29X，推測23080 軸承滾動體為 29 個），依據(jù)頻段及能量幅值，軸承外圈損傷相對早期。

3.2 后續(xù)追蹤

利用3月定修時間對該齒輪基座進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)齒輪邊部有輕微磨損，軸承側(cè)隙過大情況，隨即調(diào)整軸承側(cè)隙，目前運(yùn)行良好。

利用9月定修時間對減速機(jī)外端蓋進(jìn)行拆蓋檢查，未發(fā)現(xiàn)外側(cè)異常。之后，利用10月定修時間對該減速機(jī)進(jìn)行拆觀察孔、側(cè)蓋，利用手摸、內(nèi)窺鏡，發(fā)現(xiàn)軸承頂部外圈內(nèi)壁偏出口方向約10°位置存在兩處剝落，一處2cm×4cm深0.2mm左右，另一處1.5cm×3cm最深處1mm。持續(xù)運(yùn)行跟蹤中。

2017年11月末，根據(jù)生產(chǎn)計劃，安排20小時對該減速機(jī)軸承進(jìn)行更換。更換后異常頻率消失，振動值正常，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

4．結(jié)論及建議

從在線采集數(shù)據(jù)分析：軋機(jī)齒輪基座運(yùn)行狀態(tài)異常，齒輪基座存在嚙合不良、鼓形齒異常；輸出端存在摩擦特征頻率，頻率幅值較低；現(xiàn)場受生產(chǎn)軋制影響，軋機(jī)齒輪基座振動幅值均偏高。軋機(jī)減速機(jī)輸入軸軸承外圈點(diǎn)蝕，兩齒輪齒面及同步輪齒面基本正常，無明顯損傷。

建議：1）優(yōu)化軋機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，減少沖擊性負(fù)荷對齒輪基座的影響；2）檢查潤滑狀態(tài)，計劃停機(jī)時檢查齒輪基座軸承、齒輪、鼓形齒間隙及磨損情況；3）定周期對軸承溫度進(jìn)行檢測，并對齒輪基座潤滑油理化指標(biāo)進(jìn)行檢測；4）持續(xù)跟蹤該齒輪基座振動變化趨勢，同時，利用點(diǎn)檢手段促進(jìn)設(shè)備狀態(tài)全面掌握。

參考文獻(xiàn)略