軋機設備低速軸承的狀態監測診斷與分析

劉本海，李 鑫，孫高飛，邢增金

（青島特殊鋼鐵有限公司裝備部，山東青島 266400）

0 引言

在實際工作中的軋機減速機設備的低轉速軸承（＜150 r/min），故障沖擊的能量不大，初期缺陷產生的沖擊能量很小，而振動（如不平衡、不對中、基礎松動、齒輪嚙合等）所產生的振動能量相對更大，因此直接對其進行通常的時域、頻域分析，很難鑒別出軸承的故障特征信號。

本文通過系統地對低轉速軸承振動信號進行跟蹤分析，以及現場設備的拆檢情況，建立起一套適用于公司軋機減速機低速軸承的故障診斷方法：振動頻譜的時域、頻域信號初步診斷，長波形用來采集設備的異常沖擊，同時結合裕度指標、脈沖指標、峰值指標等幅域分析，以及長波形包絡解調分析數據的變化來監測診斷軸承的運行狀態。

1 故障診斷原理

1.1 振動頻譜分析技術

機械振動信號處理的基本方法有幅域分析、時域分析和頻域分析。頻域分析是確定信號的頻率結構，即信號中包含哪些頻率成分，分析的結果是以頻率為自變量的各種物理量的譜線或曲線；信號波形是某種物理量隨時間變化的關系，信號在時間域內的變換或統計分析稱為時域分析；在波形的幅值上，對波形的最大最小值、平均值、有效值等幅值的概率分布，稱為幅域分析。

（1）頻域分析方法。頻域分析技術就是對采集的振動時域信號進行快速傅里葉變換，把時域信號轉換為頻域信號，從而得到信號的頻率成分。頻域分析方法可以確定頻率的變化范圍，各頻率成分幅值的大小和能量大小，還可以依據設備的工頻，實現故障的判別。頻域分析方法是目前最成熟、最有效的故障診斷方法。

（2）時域分析方法。根據振動的時間順序，即數據產生的先后順序，提取信號特征，查看是否存在周期性沖擊的方法。

（3）幅域分析方法。信號的幅域分析也稱為統計特征分析，主要利用振動信號的統計特征及頻率分布特征來進行分析和診斷，應用較廣泛的有均方根值、峰值指標、峭度指標、裕度指標等。幅域分析不考慮原始信號的時序，僅與信號的復制大小及分布有關。

振動頻譜分析技術主要是現場采集設備振動信息，利用相關軟件對振動信息進行數字變換，提取與設備狀態有關的特征參數，從而對設備運行狀態做出判斷。不同的分析方法是從不同的角度觀察、分析信號，使信號處理的結果更加利于故障分析與診斷。

1.2 幅域指標分析技術

峰值指標Ip和脈沖指標Cf都是用來檢測信號中是否存在沖擊的統計指標。

2 設備信息

設備名稱：高線6#軋機減速，設備結構：四級傳動減速機，故障位置：第三軸被動端軸承內圈點蝕，軸承型號：23148FAG，轉速：70.32 r/min，使用設備：榮知802，傳感器：低頻RH113，分析軟件：MOS3000。

3 檢修前后軸承各指標情況分析

該軸承故障前，在時域圖、頻譜圖中均未發現明顯異常，主要頻率為二級齒輪嚙合頻率（114.8 Hz）及其諧波。多頻譜加速度圖歷史數據從2018 年5 月—12 月無明顯變化。各幅域指標也在正常范圍內，無明顯波動。2019 年1—3 月，第三根軸被動端軸承頻譜、時域均未發現軸承特征頻率，且速度值與加速度值均無明顯變化，但在幅域指標分析中發現裕度指標與脈沖指標等均有明顯上升趨勢（表1）。

對此軸承采集長波形進行包絡解調分析，發現該軸承在空載時有周期性的沖擊。第三根軸被動端軸承內圈故障頻率14.648 Hz 及該軸轉頻的邊頻1.172 Hz，說明該軸承內圈損壞比較嚴重。結合幅域指標的變化趨勢，診斷判定為該軸承內圈故障。

表1 幅域指標指示值

4 軸承拆檢情況

通過以上各指標的對比，可以明顯看出軸承內圈磨損嚴重，2019 年3 月18 日對該減速機軸承拆檢，發現軸承內圈磨損嚴重（圖1），軸承更換后，又進行了多次跟蹤監測，其各項指標均已恢復正常。

圖1 第三根軸被動端軸承內圈

5 總結

裕度指標、峰值指標、脈沖指標等幅域分析指標對沖擊型故障比較敏感，當低轉速軸承發生早期故障時，大幅值的脈沖沖擊還不是很多，時域分析、頻域分析均不明顯，但上述幅域指標已有明顯增加。當故障逐步發展時，此類幅域指標上升較快，可有效診斷軸承故障。本次案例將振動時域分析、頻域分析技術與幅域指標分析技術、長波形包絡解調技術相結合，多種手段相互補充，準確判斷軋機減速機低轉速軸承的故障，說明該方法對低速軸承故障診斷的有效性，為全面監測公司主機設備的安全有效運行提供強有力的支撐。