振動頻譜在滾動軸承故障判斷方面的應用

蔡峰

（華電萊州發電有限公司，山東 萊州 261400）

滾動軸承作為普通標準件，是設備檢修中常遇到的零件。軸承狀態是否良好，是否需要檢修，這涉及到檢修計劃的安排和檢修成本。不必要的檢修更換，不僅浪費資源，同時增加了檢修工作量，浪費了人力，還起不到好的作用。但現代轉機設備越來越多，經驗豐富的人員不足開始凸顯，因此開始需求一種既能夠快速、準確判斷軸承狀況同時又能夠快速培訓人員的診斷方法。隨著對滾動軸承的動力學和運動學的深入研究，對軸承振動中的頻率成分和軸承零件的幾何尺寸和缺陷類型之間的關系有了較清楚的了解，加之計算機技術和快速傅里葉變化的發展，開創了用頻域分析法對軸承信號進行處理，以用來檢測和分析軸承劣化的技術，也就是軸承故障的頻譜分析方法。

1 電機軸承頻譜診斷的原理

我們知道，設備的振動主要是由于設備的激振力引起，軸承的激振力主要來源于軸承的磨損，安裝等方面。對于一個軸承來說，其不同部位的運動速度是不同的，那么產生激振的兩個部位的相對運動速度就不同，由此產生的激振力頻率也就不同，即不同的軸承振動頻率代表著軸承不同部位的振動頻率。以軸承外圈故障振動頻率為例：BPO=r/60×1/2×n(1-d/D·cosα)（r 為軸承轉速，單位：轉/分鐘；n 為滾珠個數；d 為滾動體直徑；D 為軸承節徑；α 為滾動體接觸角），由公式可以看出對于不同的軸承，其軸承的各部位故障頻率也是不同的，因此通過檢測判斷軸承的振動頻率可以判斷軸承的故障來源。

設備的總振動波形是由于多個振動波形最后疊加合成，但我們根據傅里葉原理，可以通過設備的振動波形，逆向退出各個振動子波形，每個振動子波形有著各自不同激振力，也有著各自不同的振動頻率，因此在實際中只需通過檢測軸承的振動，即可測得軸承振動的特征頻率，從而幫助判斷軸承的故障。

2 應用實例

2.1 通過頻譜可以判斷軸承的故障程度，以此來安排檢修

自2014 年10 月以來，公司共計兩臺高壓電機驅動端軸承傳出相似的異音，都是類似于“砰砰”聲，其中①電機：立式、水冷，額定轉速1488r/min，驅動端軸承為6232/C3，靠背輪鏈接，“砰砰”均勻，電機的振動較小，溫度與日常相比未出現升溫；②電機：臥式、風冷，額定轉速992r/min，驅動端軸承為NU234/C3 和6234/C3，靠背輪鏈接，“砰砰”均勻，電機的振動較小，溫度與日常相比未出現升溫。

通過儀器檢測了兩臺電機驅動端軸承的振動頻譜圖。如圖1 所示。

圖1 ①電機的低頻區頻譜圖

圖2 ①電機的高頻區頻譜圖

對于①電機圖譜，我們從圖上可以看到，各條峰值主要是轉速和轉速的各個倍頻，峰值主要存在與低頻區，峰值基本上隨轉速倍數的增加而降低，直至在高頻區基本消失；而在軸承特征頻率FT、BS、BPI、BPI 所指向的位置，不存在峰值，可以說除了設備正常轉動所引起的振動外，不存在由軸承6232/C3 所引起的振動，這說明軸承了本身沒有問題。之后連續多天持續監測電機振動頻譜，發現電機頻譜未發生明顯變化，再參考電機振動不大，溫度正常，判斷電機軸承可以堅持運行。

對于②電機圖譜（圖3、4），從圖上我們可以看到轉速和轉速的倍頻主要存在于低頻區，除去轉速頻率外，轉速的各個倍頻幅值并不高。而在高頻區存在許多非轉速倍頻的峰值。

圖3 ②電機的低頻區頻譜圖

圖4 ②電機的低頻區頻譜圖

雖然電機驅動端存在兩個軸承，但經過仔細比較就會發現圖4 中每一個波形段中，都有一個峰值是軸承6234/C3 軸承內圈故障頻率的倍頻。我們選取一段研究，擴大后如下：

其中峰值4 是6234/C3 軸承內圈故障頻率的倍頻，峰值1、2、3、5、6 是峰值4 的邊頻，各峰值間隔相等，都是0.43倍的轉速頻率，也是6234/C3 軸承的保持架故障頻率。其余峰值與之類似，都是軸承6234/C3 的內圈故障頻率的倍頻和其邊頻。這說明電機異音是由驅動端軸承6234/C3 內圈跑道存在故障而傳出。從圖中看，軸承的故障峰值非常明顯，在整個圖譜中占主導地位，說明軸承故障比較嚴重，需要盡快安排檢修。

最終①電機堅持到小修期間解體檢查，發現驅動端軸承本身正常，未發現任何缺陷，僅存在外套磨損，軸承跑套。對軸承外套進行鑲套處理后，電機復裝試轉，異音消失，振動、溫度等表現正常。②電機則立即安排了解體檢修，解體檢查后發現電機驅動端軸承6234/C3 的跑道上出現了一個明顯的疤痕，跑道表面金屬疲勞剝落。電機軸承已經無法再堅持運行，及時檢修以避免故障的擴大。

2.2 通過頻譜，還可以幫助判斷故障的來源，以此幫助檢修

③電機：臥式、風冷，額定轉速1485r/min，驅動端軸承為NU324EM/C3，通過液力偶合器與減速機連接，此電機表現為周期性的振動，振動和聲音周期性由小變大再減小直至恢復正常，振動幅值最大時約為65μm 左右，溫度正常。電機驅動端軸承的檢測頻譜圖如下：

圖5 擴大后的圖譜

圖6 ③電機驅動端低頻區頻譜圖

我們可以看到軸承頻譜圖中只有轉速頻率和各個倍頻，軸承特征頻率FT、BS、BPI、BPI 所指向的位置，不存在峰值。因此可以斷定電機軸承并未存在問題。轉速頻率之后的2 倍、3 倍轉速頻率未降低，反而升高。檢測減速機的驅動端，圖譜中除了各峰值比電機驅動端軸承頻譜圖的相應峰值低外，與電機驅動端相似，不存在軸承問題。依據頻譜診斷理論判斷為電機存在對中問題或者松動問題。在設備停運后，仔細檢查發現，液力偶合器與減速機連接處的梅花墊在長期運行中破損，造成液偶與減速機連接處間隙不均，對中情況嚴重變形。

2.3 提前預報軸承的故障

對于一些運行工況復雜的電機，由于干擾較大，在軸承故障初始階段，軸承的異常表現不明顯，容易被忽略或者無法觀察到，但通過頻譜，可以提前預報軸承的故障，方便檢修安排。

④電機：ABB 電機；立式安裝，皮帶傳動；驅動端軸承為6319/C3，SKF 軸承；額定轉速992r/min，變頻運行；電機安裝在中速立式磨煤機的上部，基礎晃動較大；環境溫度較高并且有煤粉。

由于電機位于8 米左右的高空，平臺空間狹小，環境溫度近50℃，行車難以到達，只能靠手動葫蘆進行拆裝電機，維修一次極為困難。

在此電機的一次例行檢測中發現電機頻譜出現異常。

圖7 ④電機驅動端異常圖譜

雖然電機當時聲音、振動幅值、溫度都正常，但在電機振動頻譜中存在明顯的異常。在多次測量發現不是由偶然因素造成頻譜異常后，判斷電機軸承故障比較明顯，需盡快檢修并告知班組。電機班在確認設備不方便停運后，加強了日常關注，并準備好備品電機，做好隨時更換的準備。

兩日后，電機跳閘，電機班在檢查后，決定立即對電機進行更換。此次更換電機，由于準備充分，備品、工具都比較到位，大大縮短了檢修時間，在夜間低負荷期間直接更換完畢。未影響磨煤機在日間高負荷期間的運行。其后對損壞電機解體檢查，發現負荷側軸承保持架碎裂，轉子卡死。

3 結語

振動頻譜在滾動軸承故障檢測方面有其獨特的優勢，可以不解體即快速、有效的判斷軸承的具體故障，甚至依據軸承狀態監測數據綜合評估軸承的健康狀況，使檢修能夠真正做到“應修必修、修必修好”，由預防性檢修轉變為預知性檢修，由被動搶修轉變為主動維修，從而做到合理延長軸承的壽命，縮短檢修工期，節約檢修成本。