引風(fēng)機軸承故障的診斷實踐

宋 斌 范文軍 李云飛

(中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部，200540)

滾動軸承是熱電廠鍋爐引風(fēng)機中的易損部件，其運行狀態(tài)直接影響整臺風(fēng)機的性能、效率、功能和壽命。一旦軸承出現(xiàn)故障，輕則影響設(shè)備的正常運行，重則導(dǎo)致停機，甚至造成設(shè)備損壞、系統(tǒng)停產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，轉(zhuǎn)動設(shè)備故障的30%是由軸承引起的[1]。及時發(fā)現(xiàn)滾動軸承故障征兆，準確預(yù)測故障發(fā)展及軸承壽命，有利于提前做好生產(chǎn)維修計劃，對維持設(shè)備的安全運行，避免風(fēng)機損壞及系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)具有重要的意義。熱電廠鍋爐引風(fēng)機一般配備兩臺，正常情況下全部運行，無備用。運行中如發(fā)生軸承故障，更換時需要鍋爐減負荷，并且一臺引風(fēng)機停下只剩一臺運轉(zhuǎn)時，還存在引風(fēng)機倒轉(zhuǎn)的風(fēng)險。因此對準確地判斷軸承狀態(tài)，正確地對軸承進行故障診斷提出了更高的要求。為此采用了多種手段相結(jié)合診斷引風(fēng)機軸承故障的方法，取得較好的效果。

1 引風(fēng)機基本情況

引風(fēng)機是熱電廠鍋爐重要輔助設(shè)備，中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部5號爐配置了甲、乙兩臺引風(fēng)機，型式為單吸離心式，型號為1788B/1375，流量為287 043 m3/h，功率為1 250 kW，采用永磁調(diào)速。風(fēng)機兩端軸承型號為22238cc/w33，生產(chǎn)廠商為SKF。軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 引風(fēng)機軸系示意

2 針對引風(fēng)機采用的故障診斷方式

2.1 聽覺診斷

利用聽覺診斷軸承故障是一種很常用的方法，主要是傾聽運行軸承是否存在不規(guī)則、不連續(xù)等不正常的聲音以識別軸承出現(xiàn)的故障。實際使用中一般借助聽棒頂住軸承座靠近軸承的位置來傾聽軸承的聲音，若發(fā)出較低且連續(xù)嗚嗚聲，則認為軸承處于良好的運轉(zhuǎn)狀態(tài)；若是發(fā)出尖銳的嘶嘶音、吱吱音以及其他不規(guī)則的聲音，通常表示軸承處于不良的運轉(zhuǎn)狀況。用聽棒傾聽需要有經(jīng)驗的人員才能操作，且誤差較大，受到檢測人員當時生理和心理的影響也較大。

2.2 簡易測振儀診斷

通過便攜式測振儀(如LC2200、VM63等)對軸承測振，在軸承座上近軸承中分面位置的水平、垂直、軸向等3個方向上進行測量，測振儀可以測得振動的3個參數(shù)即位移、速度、加速度。一般來說，振動位移的量值是峰峰值，體現(xiàn)設(shè)備在空間上振動的大小；速度的量值是有效值，體現(xiàn)振動能量的大??；加速度的量值是單峰值，體現(xiàn)振動沖擊力的大小。通常低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動設(shè)備用振動位移來評判振動大小，而高速的用加速度，中速的用速度。該風(fēng)機電動機額定轉(zhuǎn)速為990 r/min，使用便攜式測振儀時采用測量振動位移來對軸承振動進行評價，評價標準如表1所示。

表1 引風(fēng)機振動評價標準

2.3 設(shè)備點檢管理系統(tǒng)(PMS)診斷

PMS系統(tǒng)是根據(jù)流程工業(yè)的需求，融合了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)以及電子信息技術(shù)、現(xiàn)代化管理技術(shù)，將智能化儀器硬件與信息化應(yīng)用軟件有機結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備狀態(tài)點檢管理系統(tǒng)。點檢人員采用HY系列儀器(包括振動測量儀、巡檢儀、抄表儀等)現(xiàn)場采集設(shè)備狀態(tài)信息以后，與電腦相連自動回收數(shù)據(jù)至服務(wù)器，利用專用軟件就能分析數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備狀態(tài)。盡管是離線監(jiān)測系統(tǒng)，但合理的數(shù)據(jù)采集周期可以確保中、高層技術(shù)和管理人員及時掌握設(shè)備實際狀態(tài)，進行狀態(tài)分析和故障診斷。PMS系統(tǒng)可以設(shè)置振動超標報警，可進行任一測點振動趨勢分析，以及時域、幅值域、頻域、時差域等多種分析功能。

對于引風(fēng)機，主要使用振動趨勢和頻譜分析方法。振動趨勢線自動生成，可進行簡單故障的診斷和故障跟蹤，其優(yōu)點是簡單直觀，缺點是通過趨勢發(fā)現(xiàn)軸承振動明顯上升時，軸承已發(fā)生磨損或部分損壞，故障發(fā)現(xiàn)夠及時。利用頻譜分析可以測量得到0～1 000 Hz范圍內(nèi)振動位移或速度的幅值，然后對照滾動軸承自身故障特征頻率診斷軸承故障，能夠判斷軸承損壞的具體部位，具有定量、準確的特點，一般在軸承損壞的初期即可發(fā)現(xiàn)故障特征頻率。滾動軸承的故障特征頻率獲得有3個途徑：

(1)根據(jù)PMS系統(tǒng)查到的故障頻率，按照實際轉(zhuǎn)速進行換算得到。

(2)在軸承制造廠商的官方網(wǎng)頁上根據(jù)軸承型號查到。

(3)根據(jù)公式計算獲得，軸承故障頻率計算公式如下：

軸承內(nèi)圈故障特征頻率：

(1)

軸承外圈故障特征頻率：

(2)

軸承滾動體故障特征頻率：

(3)

軸承保持架故障特征頻率：

(4)

式中，fr為滾動軸承內(nèi)圈的回轉(zhuǎn)頻率，Hz；fr=n/60,n為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，r/min；d為滾動體直徑，mm；D為軸承平均直徑，mm；z滾動體個數(shù)；α為壓力角(又稱接觸角)。

2.4 振動高頻濾波檢測法

振動高頻濾波檢測法(L-方法)是檢查滾動軸承狀態(tài)測量軸承狀態(tài)值的方法，軸承狀態(tài)值是指運行滾動軸承振動頻率在600 Hz至12 kHz這個范圍的振動速度有效值。理論計算和實驗結(jié)果及現(xiàn)場測試都表明：軸承的故障頻率一般都集中在高頻范圍，由不對中或不平衡等情況產(chǎn)生的振動頻率一般都低于600 Hz，同時超過12 kHz的故障振動信號也已相當微弱。所以提取600 Hz至12 kHz范圍內(nèi)的振動值，經(jīng)特定數(shù)據(jù)處理(分段加權(quán))后定義為軸承狀態(tài)值L，設(shè)備的功率、轉(zhuǎn)速以及軸承尺寸對狀態(tài)值L幾乎沒影響，同時L-方法也反映潤滑狀態(tài)。對于引風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速下，由不平衡及不對中產(chǎn)生的工頻和二倍頻分別是16.5 Hz和33 Hz，在調(diào)速時均小于該頻率，適合采用L-方法。

實際工作中，應(yīng)用瑞典VIBRATIONSTEKNINK AB公司生產(chǎn)的VTM36軸承狀態(tài)檢測儀來實現(xiàn)L值的測量。VTM36定義了“好”和“差”兩個軸承標準狀態(tài)：

(1)當L<1時，良好的軸承狀態(tài)和潤滑狀態(tài)，可繼續(xù)運行；

(2)當L>2時，差的軸承狀態(tài)和潤滑狀態(tài)，若潤滑良好，則表明軸承已損壞，需更換軸承；

(3)當1

該方法簡單方便，對設(shè)備巡檢和點檢具有較強實用性。但如果滾動軸承的工作頻率在600 Hz至12 kHz時，無法應(yīng)用此方法。

3 在引風(fēng)機上的應(yīng)用實例

3.1 利用聽覺和簡易儀器的初步判斷

根據(jù)這兩種方法的特點，結(jié)合熱電廠運行操作人員的工作特性，由操作人員在日常巡檢中采用聽覺判斷，每2 h一次，當出現(xiàn)聲音異常時，用簡易儀器進行測量確認。在正常情況下，使用簡易儀器每周測振一次。

某次操作人員在巡檢中檢查5號爐引風(fēng)機乙時，利用聽棒發(fā)現(xiàn)軸承有異聲，填報缺陷。用便攜式測振儀測量，軸承振動數(shù)值都在標準范圍內(nèi)。進行連續(xù)跟蹤，振動呈現(xiàn)上升趨勢，具體如表2所示。

表2 引風(fēng)機軸承振動數(shù)據(jù)跟蹤

停下引風(fēng)機進行檢查，檢查軸承側(cè)面，滾珠、保持架等未見異常。復(fù)校引風(fēng)機與永磁調(diào)速機構(gòu)的聯(lián)軸器中心，外圓與斷面的最大值分別為0.06 mm和0.05 mm，數(shù)據(jù)在標準范圍內(nèi)(標準為徑向與端面允差0.1mm)。

3.2 利用PMS系統(tǒng)診斷

當軸承振動有異聲，且出現(xiàn)趨勢上升時，即可以使用PMS系統(tǒng)的頻譜分析，測量設(shè)備為HY-106C，由設(shè)備管理人員負責(zé)測量、數(shù)據(jù)上傳與分析。另外，使用PMS系統(tǒng)對引風(fēng)機做每周一次的頻譜測量，數(shù)據(jù)也可以定期分析。引風(fēng)機在校驗中心后利用PMS系統(tǒng)進行頻譜分析。其頻譜(見圖2)及數(shù)據(jù)如表3所示。

圖2 引風(fēng)機推力端軸承水平方向振動頻譜

頻率/Hz峰值/(mm·s-1)104.516.790.86.4117.34.6138.04.1

根據(jù)2.3中軸承故障特征頻率的獲取方法，通過生產(chǎn)商官方網(wǎng)站查得的以及采用計算公式得到的故障頻率如表4所示。

表4 22238cc/w33軸承故障頻率

根據(jù)計算公式獲得的故障頻率與制造廠家給出的數(shù)據(jù)一致。對照軸承故障特征頻率，可清楚判斷軸承外滾道損壞有損壞。由于振動幅值未超過標準，判斷此時外滾道表面損壞尚不嚴重。

3.3 利用L-方法進行判斷

應(yīng)用頻譜分析軸承存在損壞后，采用VTM36進行確認，測量風(fēng)機推力端軸承水平和垂直方向L值分別為3.71和2.96。經(jīng)檢查該軸承潤換條件正常，判斷軸承存在明顯損壞，但并不嚴重。

3.4 綜合判斷及處理

一般滾動軸承故障發(fā)展的過程分為4個階段(如圖3所示)，L10為滾動軸承的整個使用壽命[2]。

第一個階段，軸承故障處于萌芽階段，溫度、聲音、振動總量及頻譜均正常。在軸承振動的高頻段有一定體現(xiàn)。

第二個階段，溫度正常，噪聲及振動總量略增大，軸承故障特征頻率不明顯。

第三個階段，溫度略升高，異聲明顯，且振動總量明顯增大，并有擴大的趨勢，故障特征頻率明顯。高頻段振動比第二階段變得更大。

第四個階段，溫度上升明顯，軸承聲音已明顯改變，變?yōu)楹艹畴s、很亂的噪音。振動總量快速增大至超標，故障特征頻率因整個頻段的振動增大而不明顯，高頻段振動值迅速增大。用以表征高頻段的參數(shù)嚴重超標，比如L值嚴重超標。

根據(jù)軸承故障發(fā)展的特征，更換軸承一般建議在第三個階段后期。這樣不僅能在確保安全的基礎(chǔ)上延長軸承使用壽命，也能確保診斷的準確性。

圖3 滾動軸承故障典型發(fā)展過程

據(jù)此判斷軸承故障狀態(tài)處于第三階段初期，軸承有損壞，可以繼續(xù)使用，也為準備設(shè)備檢修、更換軸承爭取了時間。引風(fēng)機在監(jiān)督下繼續(xù)運行并進行跟蹤，10天后軸承振動迅速上升，測量推力端軸承水平和垂直方向L值分別為9.1和8.9。同時測得軸承水平方向的振動位移為136～153 μm，判斷軸承故障發(fā)展至第三階段末期，甚至進入第四階段。停引風(fēng)機進行檢修，將軸承解體后發(fā)現(xiàn)：推力端軸承外滾道表面存在兩處明顯損壞，失效形式為剝蝕[3]，其中有一處面積較大，約為80 mm×30 mm，深度0.80 mm以上。滾動體基本完好，有細小點狀痕跡；內(nèi)圈表面基本完好，存在少量點狀痕跡。該損壞情況驗證了上述方法的準確性。

5 結(jié)論和建議

利用多種方法診斷引風(fēng)機軸承故障，不僅有很好的準確性，而且可以對軸承故障所處的階段進行準確的判斷。該方法的核心內(nèi)容是：定期傾聽、測量，每2 h傾聽一次，每周簡易儀器測量一次，每周利用PMS系統(tǒng)檢測一次；發(fā)現(xiàn)異常時，利用簡易儀器進行趨勢跟蹤，并利用頻譜分析和L-方法進行軸承故障的準確判斷；再根據(jù)軸承故障發(fā)展機理對軸承故障的準確階段進行判斷，安排設(shè)備檢修、軸承更換。根據(jù)各診斷手段的原理和實際應(yīng)用結(jié)果，利用該方式不僅適用于引風(fēng)機，而且對于應(yīng)用滾動軸承的各類泵、風(fēng)機等轉(zhuǎn)動設(shè)備同樣適用。但該診斷方式對于應(yīng)用滑動軸承的轉(zhuǎn)動設(shè)備不適用。

不同人員采用不同方式的分層次監(jiān)測和診斷方式也有效地分配和使用了企業(yè)的資源，提高了生產(chǎn)效率。該診斷方式對最大發(fā)揮軸承使用壽命，合理使用檢修費用，也有明顯的現(xiàn)實意義。鑒于L-方法對軸承故障診斷的特點及滾動軸承故障發(fā)展的特點，建議對軸承也可進行定期L值的測量，以便盡早發(fā)現(xiàn)故障征兆，做到省時省力。

[1] 李建勤,徐彥超.基于尖峰能量譜技術(shù)的滾動軸承故障分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2009,30(5):39-41,44.

[2] 楊國安.滾動軸承故障診斷實用技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2012.

[3] 陳龍,頡潭成,夏新濤.滾動軸承應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.