由于使用維護(hù)方便、工作性能可靠，滾動(dòng)軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中有著廣泛的應(yīng)用，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著至關(guān)重要的作用。隨著狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，通過(guò)提取滾動(dòng)軸承頻譜特征來(lái)進(jìn)行軸承故障診斷的實(shí)例越來(lái)越多。對(duì)應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)滾動(dòng)軸承頻譜特征進(jìn)行分類，并列舉了相應(yīng)的實(shí)例，為滾動(dòng)軸承故障診斷提供參考。

一、前言

　　旋轉(zhuǎn)機(jī)械是大型石油石化行業(yè)的核心設(shè)備，一旦不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致整個(gè)裝置停工，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要部件，滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行可靠性息息相關(guān)。然而，滾動(dòng)軸承也是機(jī)器中最易損壞的部件之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中有70%的故障是由滾動(dòng)軸承引起的，在齒輪箱的各故障中，軸承故障僅次于齒輪故障而占到19%，電動(dòng)機(jī)故障中有80%表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)軸承故障。因此，滾動(dòng)軸承常見(jiàn)故障診斷顯得十分重要。

　　隨著旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)理論的發(fā)展和應(yīng)用實(shí)踐，利用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)分析來(lái)判斷滾動(dòng)軸承的運(yùn)行情況成為可能。一般來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)軸承由內(nèi)圈、外圈、保持架和滾動(dòng)體四部件組成。當(dāng)任何一個(gè)部件出現(xiàn)缺陷時(shí)，軸承座振動(dòng)速度頻譜都會(huì)表現(xiàn)出不同的信號(hào)特征。

二、頻譜中出現(xiàn)非整數(shù)倍頻成分

　　1. 頻譜特征

　　在已知滾動(dòng)軸承的幾何尺寸、滾動(dòng)體數(shù)目和軸轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了一系列的軸承故障頻率公式。利用這些故障頻率可以分別檢測(cè)軸承內(nèi)圈、外圈、保持架和滾動(dòng)體本身的故障。假如內(nèi)圈滾道、外圈滾道或滾動(dòng)體上有一處缺陷(剝落或裂紋)，則兩種金屬體在缺陷處相接觸就會(huì)發(fā)生沖擊作用，沖擊的間隔頻率見(jiàn)表1。

表1 由局部缺陷引起的沖擊振動(dòng)間隔頻率

　　表式中 n——軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；d——滾動(dòng)體直徑，單位為mm；Dm——滾動(dòng)體中心直徑，單位為mm；α ——接觸角，指接觸面中心與滾動(dòng)體中心連線和軸承徑向平面之間的夾角，單位為弧度或角度;z——滾動(dòng)體個(gè)數(shù)。

　　現(xiàn)場(chǎng)診斷時(shí)，往往不了解滾動(dòng)軸承的型號(hào)和具體尺寸，用表1中的公式計(jì)算，其過(guò)程也相當(dāng)復(fù)雜。因此如果只知道滾動(dòng)體的數(shù)目，表1中的公式可以進(jìn)行近似簡(jiǎn)化，這樣使用起來(lái)更加靈活方便。

　　內(nèi)圈通過(guò)頻率：f1=0.6frz;外圈通過(guò)頻率：f0=0.4frz;保持架通過(guò)頻率：fe=0.4fr。

　　式中 fr——軸的轉(zhuǎn)頻;z——滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體數(shù)。

　　研究發(fā)現(xiàn)：

　　1)滾動(dòng)軸承故障頻率與不平衡、不對(duì)中、葉片通過(guò)頻率等振源不一樣，它們都是故障頻率。換言之，軸承故障頻率在振動(dòng)頻譜中不應(yīng)該存在，只有軸承出現(xiàn)故障時(shí)，才會(huì)發(fā)出的初始故障信號(hào)。

　　2)軸承故障頻率都是轉(zhuǎn)速頻率的非整數(shù)倍頻。

　　3)速度頻譜中除了非整數(shù)倍頻之外，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)其諧波成分。

　　2. 應(yīng)用實(shí)例

　　聚丙烯裝置環(huán)管循環(huán)泵P202，轉(zhuǎn)速1 450r/min，功率510kW。2013年2月，操作員巡檢發(fā)現(xiàn)泵軸承座振動(dòng)呈上升趨勢(shì)。

　　與以前采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)相比，泵軸承座各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值同步增大，以葉輪側(cè)垂直方向振動(dòng)能量增大最為顯著。各測(cè)點(diǎn)1 000Hz振動(dòng)速度譜中，存在工頻及較多的非整數(shù)倍頻成分。利用PE A K V UE技術(shù)采集信號(hào)，發(fā)現(xiàn)以10.62Hz頻率成分幅值突出，且存在其倍頻成分。泵各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波動(dòng)較大，以149Hz(6x)、288Hz(11.60x)、404Hz(16.24x)頻率成分波動(dòng)為主，工頻幅值保持穩(wěn)定。SPM軸承故障診斷儀T30，對(duì)該泵軸承沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，dBc為14dB、處于綠區(qū)，dBm為33dB、處于黃區(qū)，非常接近紅區(qū)的下限35dB。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為，該泵軸承已出現(xiàn)缺陷的可能性大，同時(shí)伴有松動(dòng)摩擦。

　　2013年3月，公司安排該泵停運(yùn)檢修發(fā)現(xiàn)，主密封側(cè)軸承外圈跑套嚴(yán)重，定位軸承銅保持架、內(nèi)圈滾道等部位有明顯磨損痕跡，滾動(dòng)體表面蝕坑多。

三、頻譜中出現(xiàn)高頻連續(xù)譜

　　1. 頻譜特征

　　滾動(dòng)軸承故障后期，振動(dòng)速度頻譜中會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的寬帶超聲能量，這個(gè)能量成分一般出現(xiàn)在2 000～5 000Hz。因此，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，需要將頻帶放寬至5 000Hz，觀察頻譜中高頻部分的頻率分布及能量的大小。但由于安裝和潤(rùn)滑等因素的影響，有些軸承的運(yùn)行初期就存在較低幅值的高頻連續(xù)譜，因此，利用比較分析的方法更加準(zhǔn)確可靠。

　　2. 應(yīng)用實(shí)例

　　重整裝置氨冷凍機(jī)為螺桿壓縮機(jī)， 電動(dòng)機(jī)及陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子均采用滾動(dòng)軸承。電動(dòng)機(jī)工頻：2972/60=49.53Hz;陽(yáng)轉(zhuǎn)子(型線數(shù)4)工頻：49.53Hz;陰轉(zhuǎn)子(型線數(shù)6)工頻：49.53×4/6=33Hz;轉(zhuǎn)子嚙合頻率：49.53×4=33×6=198Hz。

　　氨冷凍機(jī)現(xiàn)場(chǎng)噪聲增大，現(xiàn)場(chǎng)采集振動(dòng)信號(hào)(見(jiàn)表2和圖1)。分析發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)較小，氨壓機(jī)聯(lián)軸節(jié)側(cè)軸承座三個(gè)方向振動(dòng)值均偏大、且以垂直和軸向振動(dòng)表現(xiàn)尤為突出。

表2 氨冷凍機(jī)軸承座振動(dòng)烈度 (單位：mm/s)

圖1 檢修前后聯(lián)軸節(jié)側(cè)軸承座垂直振動(dòng)速度頻譜對(duì)比

　　速度頻譜中存在以下幾種頻率成分：

　　1)極低頻率成分，噪聲底線抬起。

　　2)高頻連續(xù)譜，該頻段幅值突出的頻率成分為各基頻的非整數(shù)倍頻，噪聲底線明顯抬高，存在以陽(yáng)轉(zhuǎn)子工頻為間隔頻率的邊帶成分。

　　3)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子工頻和轉(zhuǎn)子嚙合頻率成分及其諧波，但幅值均較小。分析認(rèn)為，聯(lián)軸器側(cè)滾動(dòng)軸承和推力軸承出現(xiàn)磨損的可能性大。時(shí)隔一周檢修發(fā)現(xiàn)，冷凍機(jī)推力軸承嚴(yán)重磨損(單邊偏磨)，靠螺桿側(cè)內(nèi)圈軸向磨損量達(dá)1.22mm以上，邊上有明顯剝落與點(diǎn)坑。陽(yáng)螺桿非驅(qū)動(dòng)端徑向圓柱軸承嚴(yán)重磨損；陰螺桿非驅(qū)動(dòng)端徑向圓柱軸承有磨損。

四、頻譜中出現(xiàn)邊帶成分

　　1. 頻譜特征

　　當(dāng)軸承內(nèi)圈、外圈出現(xiàn)早期故障時(shí)，以單個(gè)故障頻率成分出現(xiàn)在頻譜中。隨著故障擴(kuò)展會(huì)引起軸承內(nèi)圈、外圈故障頻率的幅值增大。如果故障進(jìn)一步惡化，速度頻譜中則會(huì)出現(xiàn)內(nèi)圈、外圈故障頻率的高次諧波、以及邊帶成分出現(xiàn)。邊帶的間隔頻率比較常見(jiàn)的有兩種，一種是軸的轉(zhuǎn)頻，另一種是保持架的故障頻率。

　　2. 應(yīng)用實(shí)例

　　(1)邊帶間隔頻率為軸的轉(zhuǎn)頻 焦化裝置加熱爐鼓風(fēng)機(jī)變頻電動(dòng)機(jī)噪聲大，現(xiàn)場(chǎng)采集軸承座振動(dòng)信號(hào)(見(jiàn)圖2)。測(cè)試時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為520r/min，工頻為8.67Hz。電動(dòng)機(jī)軸承座振動(dòng)頻譜中出現(xiàn)了以5.326x的非整數(shù)倍頻成分及其高次諧波。且在高次諧波成分左右出現(xiàn)了以電動(dòng)機(jī)工頻為間隔頻率的對(duì)稱邊帶。

圖2 電動(dòng)機(jī)前軸承座垂直振動(dòng)速度頻譜

　　檢修發(fā)現(xiàn)，該軸承外圈電流腐蝕嚴(yán)重，軸承外圈搓板狀缺陷明顯，如圖3所示。

圖3 軸承外圈電流腐蝕嚴(yán)重

　　(2)邊帶間隔頻率為軸轉(zhuǎn)頻的非整數(shù)倍 聚丙烯裝置動(dòng)力分離器攪拌器A301于2011年4月在役運(yùn)行。2013年6月底發(fā)現(xiàn)分離器推力軸承水平振動(dòng)值上升到6.0mm/s左右。后經(jīng)潤(rùn)滑脂置換、將潤(rùn)滑脂改為高溫潤(rùn)滑脂后，振動(dòng)烈度下降趨勢(shì)明顯，SPM沖擊數(shù)據(jù)近黃區(qū)上線、趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

　　攪拌器轉(zhuǎn)速為1 470r/min，對(duì)輪側(cè)軸承型號(hào)：SKF3317A，葉片側(cè)軸承型號(hào)：SKF NU2316E。7月初，對(duì)分離器軸承座振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)輪側(cè)軸承座水平測(cè)點(diǎn)1 000Hz帶寬速度頻譜(見(jiàn)圖4)中，存在0.28x～0.66x頻的次倍頻成分、低頻段噪聲底線明顯抬高，存在139.81Hz(5.63x)、205.57Hz(8.27x)的非整數(shù)倍頻成分，在13x(NU2316E軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為13個(gè))左右出現(xiàn)間隔頻率為10.63Hz(0.43x：可能為保持架故障頻率)邊帶成分。將頻帶放寬至5 000Hz采集信號(hào)，未見(jiàn)明顯的高頻連續(xù)譜出現(xiàn)。這里，0.43x的非整數(shù)倍頻以邊帶的形式出現(xiàn)，需要引起足夠的重視。

圖4 泵對(duì)輪側(cè)軸承座水平振動(dòng)速度頻譜

　　8月停運(yùn)檢修，將攪拌器解體發(fā)現(xiàn)，對(duì)輪側(cè)軸承保持架上半邊松脫，可以直接取出，上、下保持架磨損嚴(yán)重。

五、結(jié)語(yǔ)

　　1)實(shí)踐證明，通過(guò)提取軸承座振動(dòng)的速度頻譜特征，可以準(zhǔn)確地判斷滾動(dòng)軸承的運(yùn)行情況、出現(xiàn)缺陷的部件及缺陷的嚴(yán)重程度。

　　2)現(xiàn)場(chǎng)遇到的滾動(dòng)軸承缺陷復(fù)雜，很多情況都是多種缺陷同時(shí)出現(xiàn)，因此速度頻譜中往往會(huì)多種故障特征并存。

　　3)滾動(dòng)軸承振動(dòng)大小的判斷，不能教條地依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的振動(dòng)界限值。由于滾動(dòng)軸承的安裝精度、使用潤(rùn)滑條件的影響，軸承所能承受的振動(dòng)值也不盡相同。最有效的方法是對(duì)軸承振動(dòng)的上升幅度進(jìn)行分析，可以更加準(zhǔn)確地判斷滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀況。

　　4)滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)診斷的技術(shù)很多，除了振動(dòng)頻譜分析技術(shù)，還有SPM公司開(kāi)發(fā)的沖擊脈沖技術(shù)、恩泰克公司的尖峰能量技術(shù)、艾默生公司的PEAKVUE技術(shù)等。實(shí)際應(yīng)用中，多種技術(shù)手段結(jié)合，可以提高滾動(dòng)軸承故障診斷的準(zhǔn)確率。