利用包絡(luò)解調(diào)技術(shù)分析診斷滾動軸承故障

賀天成，范云鵬，寧中赫

（包頭鋼鐵集團公司長材廠，內(nèi)蒙古包頭 014000）

1 概述

在線棒材齒輪箱的故障診斷中，軸承故障高達50%～60%，滾動軸承的疲勞與剝落，會產(chǎn)生周期的脈沖沖擊力，出現(xiàn)振動信號的調(diào)制現(xiàn)象。包絡(luò)解調(diào)技術(shù)是經(jīng)過包絡(luò)分析將淹沒在背景噪聲中的微弱信號提取出來，然后輸出一個消除了振動信號干擾的信號。我司利用精密點檢手段診斷線棒材齒輪箱故障。振動測試單元為100W 型，此振動測試單元可以精確地采集振動信號的調(diào)制信息，包絡(luò)解調(diào)可以精準地提取被背景噪聲淹沒的微弱的故障信號。

2 信號調(diào)制

調(diào)制就是一個信號（調(diào)制信號）控制另一個做為載體的信號（載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。

這里重點討論的是調(diào)幅：高頻載波信號的振幅隨調(diào)制信號的幅值變化。如圖1。

如圖2所示，滾動軸承載荷區(qū)在下部，軸承在旋轉(zhuǎn)過程中，滾動體承受的載荷是變化的，旋轉(zhuǎn)到不同角度受力不同。

圖1 幅值調(diào)制信號

圖2 滾動軸承徑向載荷分析圖

如果是滾動軸承內(nèi)滾道缺陷，其特征頻率是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周滾動體沖擊內(nèi)滾道缺陷的次數(shù)乘以轉(zhuǎn)頻。依據(jù)滾動軸承故障頻率的經(jīng)驗公式：轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，滾動體經(jīng)過內(nèi)滾道缺陷次數(shù)大約為0.6倍單列的滾動體數(shù)。內(nèi)滾道產(chǎn)生的振動是沖擊，不是正弦波，其頻譜是內(nèi)滾道故障頻率及其諧波。內(nèi)滾道隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)內(nèi)滾道損傷部位與滾動體發(fā)生沖擊接觸的位置不同，振動的振幅會發(fā)生以轉(zhuǎn)頻為周期的變化，即發(fā)生振幅調(diào)制。內(nèi)滾道故障頻率就是載波頻率，轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率。如圖3 所示為在實際診斷中發(fā)現(xiàn)的軸承內(nèi)滾道缺陷的頻譜波形圖。

圖3 實際診斷中確定內(nèi)環(huán)缺陷的波形頻譜圖

3 包絡(luò)解調(diào)

包絡(luò)解調(diào)技術(shù)是故障診斷中很有效的方法，包絡(luò)解調(diào)技術(shù)主要是通過選取有用的共振頻率區(qū)，通過濾波、平移、變換，獲得包含故障頻率的低頻包絡(luò)信號。包絡(luò)解調(diào)的目的是解調(diào)高頻處與故障有關(guān)的調(diào)制信號。這里選取有用的共振頻率區(qū)，即確定包絡(luò)解調(diào)的帶通濾波范圍對診斷的準確性至關(guān)重要。

要理解包絡(luò)解調(diào)，首先要真正理解幅值調(diào)制。

幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號的幅值隨調(diào)制信號的幅值變化。因此調(diào)幅信號的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號一致，那么如果能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線，就能將調(diào)制信號解調(diào)出來。如圖4 所示：（a）軸承座上的隨機信號；（b）放大的故障沖擊；（c）放大的微弱脈沖信號，與故障沖擊強度成正比。我理解為軸承故障沖擊激勵起了軸承外圈的固有頻率即共振信號；（d）包絡(luò)檢波，低通濾波后的解調(diào)頻率；（e）調(diào)制波的頻域。

圖4 包絡(luò)解調(diào)處理

因此，在拾取齒輪箱中幅值小，寬度窄的軸承故障信號，包絡(luò)解調(diào)技術(shù)具有重要價值。

4 基于振動信號的調(diào)制與包絡(luò)解調(diào)技術(shù)在軸承故障診斷中的實際應(yīng)用

4.1 機組參數(shù)

包頭鋼鐵集團長材廠新高線區(qū)域精軋增速箱轉(zhuǎn)速：1172 r/min；聯(lián)軸器為齒式聯(lián)軸器。3 軸浮動端軸承為圓柱滾子軸承，型號：F0364037-804623。工況：軋制φ12、φ6.5 圓鋼。通過測量計算得到3 軸浮動端圓柱滾子軸承的故障特征頻率分別為：內(nèi)圈特征頻率（BPFI）：677.9 Hz；外圈特征頻率（BPFO）：451.9 Hz；滾珠特征頻率(BSF)：203.4 Hz；保持架特征頻率（FIF）：20.5 Hz。由于測量計算的軸承特征頻率存在誤差，而且軸承滾動體在旋轉(zhuǎn)過程中也可能存在打滑現(xiàn)象，所以實際測得的軸承特征頻率與計算軸承特征頻率會出現(xiàn)偏差。

新高線精軋機組增速機測點分布如圖5所示。

圖5 新高線精軋機組增速機測點分布

4.2 故障分析

分析2018 年10 月19 日、12 月19 日軋制φ12 圓鋼、12 月20 日軋制φ6.5 圓鋼時，3 軸浮動端軸承測點的包絡(luò)譜分別如圖6a、6b 所示，水平振動加速度波形和頻譜圖如圖6c、6d、6e 所示，水平振動加速度值趨勢如圖7a，包絡(luò)值趨勢如圖7b所示。

圖6a 10月19日,12月19日軋制Φ12圓3軸浮動端包絡(luò)譜瀑布圖

圖6b 12月20日軋制Φ6.5圓3軸浮動端包絡(luò)譜

圖6c 10月19日軋制Φ12圓3軸浮動端水平加速度波形頻譜圖

圖6d 12月19日軋制Φ12圓3軸浮動端水平加速度波形頻譜圖

圖6e 12月20日軋制Φ6.5圓3軸浮動端水平加速度波形頻譜圖

圖7a 3軸浮動端水平加速度值趨勢圖

圖7b 3軸浮動端包絡(luò)值趨勢圖

圖譜分析：

如圖6a，兩日的包絡(luò)譜中都在軸承內(nèi)滑道特征頻率和3 軸轉(zhuǎn)頻處出現(xiàn)能量，12 月19 日軸承內(nèi)滑道特征頻率及轉(zhuǎn)頻處能量比10月19日能量高。

如圖6b，軸承內(nèi)滑道特征頻率兩側(cè)出現(xiàn)3 軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制的邊帶且邊帶能量較高。同時在3軸轉(zhuǎn)頻處出現(xiàn)能量，根據(jù)包絡(luò)解調(diào)原理3 軸轉(zhuǎn)頻正在高頻調(diào)制某一故障頻率。

如圖6c、6d，波形圖中都可以看見明顯的調(diào)制波形，頻譜圖中都在軸承內(nèi)滑道特征頻率的高次諧波兩側(cè)出現(xiàn)大量3軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制的邊帶。

如圖6e，波形圖中峰值大幅增長，頻譜圖中軸承內(nèi)滑道特征頻率的高次諧波兩側(cè)邊帶能量增長明顯。

查看趨勢圖7a、7b，對比10 月19 日，12 月19 日（軋制相同規(guī)格）加速度值增長不明顯，包絡(luò)值增長近1倍。

4.3 診斷結(jié)論

綜上分析，3 軸浮動端圓柱滾子軸承內(nèi)滑道故障，故障處于軸承故障的第3 階段初期，不建議檢修。但需要密切觀察軸承劣化情況。

4.4 檢修確認

12 月30 日產(chǎn)線大修，將增速機在線解體，3 軸浮動端圓柱滾子軸承內(nèi)滑道點蝕。如圖8。

圖8 3軸浮動端圓柱滾子軸承內(nèi)滑道點蝕

5 總結(jié)

包絡(luò)解調(diào)技術(shù)在對提取軸承原件沖擊信號的時域和頻域特征是有效的，它對軸承故障更為敏感。

在加速度譜中提取調(diào)制信息再結(jié)合包絡(luò)譜分析軸承故障，是提高軸承故障診斷準確率的有效方法，特別是在現(xiàn)場需要維修決策時。

要對軸承故障部位及損壞程度做出精準的判斷，選用的振動測試系統(tǒng)要有很好的降噪性，并能精確采集到振動信號的調(diào)制信息。特別是在軸承早期故障的診斷上要能準確采集到振動信號在3000～5000 Hz之間的調(diào)制信息。

需要積累大量軸承診斷經(jīng)驗，總結(jié)在振動信號中提取調(diào)制信息再結(jié)合包絡(luò)解調(diào)技術(shù)針對軸承故障診斷的判別依據(jù)。