基于沖擊脈沖和EMD包絡譜的電動消防泵軸承監測診斷研究

倪 圓，古成中，羅日榮，任富山

(91663部隊，山東 青島 266000)

電動消防泵作為船舶的重要裝備之一，其作用是為船舶提供消防滅火用水，同時還可為部分設備提供冷卻用水[1]。電動消防泵一般由電動機帶動離心式水泵組成，滾動軸承是其重要組成部分，同時也是易損部件。據相關資料統計，旋轉機械發生的故障中大約有30%是由滾動軸承導致的[2]，當滾動軸承存在例如疲勞剝落、裂紋、磨損等缺陷或滾道落入異物時會產生沖擊，引起機體振動，因此可通過檢測沖擊脈沖的強弱來判斷軸承的狀態以及故障程度[3-4]。

另外，軸承故障產生的沖擊會激起設備的高頻固有振動，利用帶通濾波器(中心頻率近似等于共振頻率)對信號進行濾波，并對濾波后的信號進行包絡譜分析便能識別出軸承故障部位和嚴重程度。這種方法需要根據經驗選擇合適的帶通濾波器，如何選擇正確的濾波頻帶是軸承故障診斷的關鍵。經驗模式分解(EMD)是一種新的具有自適應的信號處理方法，它可以根據軸承故障信號自適應選擇濾波頻帶及分辨率，從而克服了傳統包絡分析中選擇濾波中心頻率和帶寬的難題[5]。

1 電動消防泵振動監測方法

1.1 電動消防泵振動烈度監測

目前，電動消防泵振動監測和狀態評價通常參照GB/T 6075.3-2011《機械振動在非旋轉部件上測量評價機器的振動 第3部分：額定功率大于15 kW，額定轉速在120～15 000 r/min之間的在現場測量的工業機器》[6](以下簡稱《標準》)進行。根據《標準》要求，通常測量各測點的振動速度有效值，也稱振動烈度。測點選擇電機輸入端軸承、電機輸出端軸承以及泵端軸承處，分別測量垂、橫、軸3個方向的振動烈度。通過振動監測能夠判斷電動消防泵的振動狀態。對于柔性安裝的大于15 kW小于300 kW的某電動消防泵，其振動狀態評價區域如表1所示。

表1 振動狀態評價區域

其中，區域A：新交付的機器振動通常落在該區域。區域B：機器振動處在該區域通常認為可無限制長期運行。區域C：機器振動處在該區域一般不適宜作長時間連續運行，通常機器可在此狀態下運行有限時間，直到采取補救措施的合適時機為止。區域D：機器振動處在該區域通常認為其振動烈度足以導致機器損壞。

1.2 電動消防泵軸承沖擊脈監測

軸承故障產生的沖擊會激起設備的高頻固有振動，SPM根據軸承故障產生沖擊的幅值來診斷軸承故障，它是滾動軸承失效診斷的主要方法之一[4]。進行SPM監測時，滾動軸承狀態通過絕對沖擊脈沖值(dBsv)、初始沖擊脈沖值(dBi)、標準沖擊脈沖值(dBn)、最大沖擊脈沖值(dBm)和地毯沖擊脈沖值(dBc)來表示。它們的關系為：

dBn=dBsv-dBi,

(1)

式中，dBi代表軸承的背景沖擊脈沖值，它與軸承內徑和轉速有關。通常使用標準化的dBm和dBc來判斷滾動軸承狀態。當dBm≤20 dB，且dBc的值在5 dB～10 dB之間時，滾動軸承狀態良好；當20 dB35 dB，dBm且和dBc之間的差值較大時，滾動軸承處于故障狀態。

2 EMD包絡譜分析方法

EMD分解是將信號分解為有限個頻率由高到低的不同固有模態分量(IMF)之和[7]，即：

(2)

式中，x(t)為原始信號；i為IMF分量的階數；ci(t)為第i階固有模態(IMF)分量，rn(t)為余項。

由于每個IMF分量代表了頻率由高到低不同頻率段的振動特征，因此EMD分解具有自適應選頻濾波功能。通過對各階IMF分量進行包絡譜分析，便可得到軸承故障特征頻率。包絡譜分析首先進行希爾伯特(Hilbert)包絡解調，通過對IMF信號進行Hilbert變換，得到：

(3)

式中：ci(τ)為第i階固有模態(IMF)分量進行Hilbert變換時的積分量，τ代表積分分量。

隨后構造解析信號z(t)：

z(t)=ci(t)+jH[ci(t)],

(4)

式中，j為虛數向量。

對解析信號z(t)求模，得到其包絡信號B(t)：

(5)

最終對包絡信號B(t)進行傅里葉變換便可得到信號的包絡譜。

3 電動消防泵軸承故障診斷

3.1 振動監測

某電動消防泵在運行過程中出現振動噪聲異常，需對該異常進行故障診斷。本文首先采用德國普盧福公司生產的振動分析儀(VIBXPERT II)對電動消防泵進行振動烈度監測，依據《標準》，測點分別選擇電機自由端軸承、電機輸出端軸和泵端軸承處，每個測點測量3個方向的振動速度有效值，測量頻率帶寬為10～1 000 Hz，通過速度有效值來評定整機振動狀態。

由于電動消防泵運轉時存在明顯的異常噪聲，根據測試經驗，該噪聲很有可能來自軸承。因此，本文同時采用瑞典SPM公司生產的軸承沖擊脈沖儀(T30)測量各軸承處的沖擊脈沖值，用于判斷軸承的狀態。消防泵振動監測結果如表2所示。

表2 電動消防泵振動監測結果

由監測結果可知，電機自由端、電機輸出端軸承處振動速度有效值最大為3.24 mm/s，依據《標準》，該振動值處于B區(可無限制長期運行區域)；泵輸入端軸承處的振動速度有效值最大為6.20 mm/s，依據《標準》，該振動值已處于C區(不適宜長時間連續運行區域)。

通過軸承沖擊脈沖監測發現，電機自由端軸承dBm、dBc為24 dB、10 dB，處于良好狀態；電機輸出端軸承dBm、dBc為32 dB、19 dB，處于報警狀態；泵輸入端軸承dBm、dBc為48 dB、32 dB，處于故障狀態。

由以上分析可知，電動消防泵泵輸入端軸承可能存在故障，從而導致軸承沖擊脈沖值和振動烈度偏大。為此，采用VIBXPERT II采集泵輸入端軸承處的時域振動數據，進一步診斷軸承故障原因。

3.2 軸承故障特征頻率

滾動軸承主要由外圈、內圈、滾動體和固定滾動體的保持架4部分組成。滾動軸承的故障特征頻率主要有外圈故障頻率fo、內圈故障頻率fi、保持架故障頻率ft和滾動體故障頻率fb。故障頻率的計算公式分別如下[3]。

保持架故障頻率：

(6)

外圈故障頻率：

(7)

內圈故障頻率：

(8)

滾動體故障頻率：

(9)

式中，Z為滾動體的數量；ni為內環的旋轉速度；d為滾動體直徑；D為節圓直徑；α為接觸角。

某型電動消防泵采用某公司的6311軸承，該軸承是深溝滾珠球軸承，內環的旋轉速度ni=2 975 r/min，滾動體直徑D=20.638 mm，滾動體個數Z=8，節圓直徑D=88.5 mm。經過計算，該軸承保持架故障頻率ft=19 Hz，外圈故障頻率fo=152 Hz，內圈故障頻率為fi=244.6 Hz，滾動體故障頻率fb=100.5 Hz。

3.3 軸承故障診斷分析

利用采集到的電動消防泵軸承振動數據，進行頻譜分析，得到泵軸承加速度頻譜如圖1所示。

圖1 泵軸承加速度頻譜

由圖1知，在1 404 Hz及其倍頻(2 807 Hz)處存在較大的峰值，并且在峰值附近存在明顯的調制邊頻帶，這與軸承故障沖擊引起的高頻共振現象吻合。固有模態分量階數越高，時間尺度越大，對應的頻率越低。由于軸承沖擊引起的結構共振一般發生在高頻段，因此僅對該軸承振動數據進行前4階EMD分解，得到泵軸承前4階固有模態(IMF)分量如圖2所示。

圖2 泵軸承前4階固有模態(IMF)分量

對前4階IMF分量進行Hilbert解調分析，得到IMF分量包絡譜如圖3所示。

圖3 泵軸承固有模態分量包絡譜

由圖3可知，IMF1分量包絡譜中152 Hz及304 Hz(倍頻)處的頻率分量明顯，IMF3和IMF4分量包絡譜中100 Hz處頻率分量明顯。對照軸承故障特征頻率可知，軸承外圈以及滾動體可能存在損傷。

該船進廠后對故障電動消防泵進行了拆檢。經拆檢發現，泵端軸承外圈損傷，并且滾動體出現輕微磨損。經更換故障軸承轉子后，電動消防泵恢復正常運行，振動和噪聲大大降低。

4 結束語

振動烈度和軸承沖擊脈沖監測，可以有效判斷電動消防泵以及軸承振動狀態，初步定位故障部位，EMD包絡譜分析相對于傳統帶通濾波的包絡解調分析方法，具有自適應的特點，能快速準確診斷電動消防泵軸承外圈及滾動體故障。