低速造紙設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用案例分析

朱浩軍 梁振奮

（SKF中國銷售有限公司 上海）

大多數(shù)造紙廠配備了專業(yè)的狀態(tài)監(jiān)測人員和儀器對設(shè)備進(jìn)行預(yù)知性維護(hù)，但是造紙廠還是會出現(xiàn)意外停機(jī)事故，給設(shè)備和生產(chǎn)造成了巨大損失。很多維修經(jīng)理都遭遇過壓榨輥、烘缸輥、洗滌器、齒輪箱、石灰窯、攪拌器等設(shè)備的意外停機(jī)，這些設(shè)備轉(zhuǎn)速都比較低。傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測手段幾乎不可能實(shí)現(xiàn)對低速設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。

最新的數(shù)字信號處理技術(shù)和分析手段，能夠幫助工程師分析低速設(shè)備的振動速度。然而僅僅擁有高性能的儀器還是不夠，對于低速設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，其采集數(shù)據(jù)的方式和分析手段不同于常規(guī)轉(zhuǎn)速的設(shè)備。如果沒有一定的知識積累，會造成許多軸承在沒有故障情況下的誤拆卸。為此，闡明如何通過技術(shù)手段排除這些障礙，實(shí)現(xiàn)對低速設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。

造紙廠幾乎每個部門都有一些低速的關(guān)鍵設(shè)備，如石灰窯、烘缸輥?zhàn)印⑾礈炱?、澄清池等。造紙廠通常都有狀態(tài)監(jiān)測措施，但在很多情況下，這種低速設(shè)備還是經(jīng)常會發(fā)生事故。這種低速設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測方法，對分析工程師來說是一個大的挑戰(zhàn)，無論使用哪種分析設(shè)備都是如此。

什么叫低轉(zhuǎn)速，現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)使人們能夠使用簡單設(shè)備輕松分析轉(zhuǎn)速＞50 r/min的設(shè)備軸承缺陷。因此，定義那些轉(zhuǎn)速＜50 r/min的設(shè)備為低速設(shè)備，對于那些轉(zhuǎn)速＜10 r/min的設(shè)備，稱為超低轉(zhuǎn)速設(shè)備，對于監(jiān)測這種設(shè)備，需要更好儀器的同時，還需要對使用人員進(jìn)行高質(zhì)量培訓(xùn)。

通常速度頻譜在低頻范圍內(nèi)的響應(yīng)受到限制，由于這種限制，過去的一些振動文獻(xiàn)稱那些轉(zhuǎn)速低于600 r/min的為低速設(shè)備，還有一些觀點(diǎn)認(rèn)為，對于低速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備不能采用振動分析法來進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。通過一些實(shí)際案例分析，闡述振動分析對于低速設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用，在這些案列中，可以清晰地在圖譜上顯示那些通過人的觸覺和聽覺而無法發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷頻率成分。軸承缺陷類似于行駛路面上的凹坑汽車駕駛員能在60 km/h的時速感覺到明顯的路面凹坑，但是在6 km/h的時速卻感覺這個凹坑引起的振動很小，那么車速在0.6 km/h時會怎樣呢。

振動傳感器遵循動能定理，能量和運(yùn)動相關(guān)，能量與物體的質(zhì)量以及速度的平方成比例。Ek=1/2mv2，這個公式揭示了振動能量受到速度的影響，假設(shè)有兩個物體，其中一個物體的轉(zhuǎn)速是另外一個的1/2，那么這個物體的能量是另外一個物體的1/4。同樣，如果一個運(yùn)動物體的速度是另外一個物體運(yùn)動速度的1/10，那么其能量僅僅是另外一個運(yùn)動物體的1/10。因此傳感器測量到低速物體的能量將明顯比另外一個物體小。

假設(shè)有兩個完全一樣的設(shè)備，都有完全一樣的設(shè)備缺陷，如果一臺是以300 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而另外一臺的轉(zhuǎn)速是3 r/min，低轉(zhuǎn)速設(shè)備的能量和高轉(zhuǎn)速設(shè)備的動能比是（3/300）2=1/10 000。傳統(tǒng)的振動分析方法是通過振動的速度譜進(jìn)行分析，對于正常轉(zhuǎn)速的設(shè)備來說，速度值是一個非常好的衡量設(shè)備缺陷嚴(yán)重程度的判斷依據(jù)。

1.石灰窯耳軸軸承缺陷

圖1 有缺陷的耳軸軸承頻譜

典型的石灰窯通過一個大滾子耳軸軸承來支承，這種石灰窯的耳軸軸承轉(zhuǎn)速通常在6 r/min。耳軸軸承和石灰窯的安裝不對中通常能造成設(shè)備的早期缺陷。當(dāng)這種情況發(fā)生后，即便對其進(jìn)行對中，也已經(jīng)不可避免地產(chǎn)生了設(shè)備的早期缺陷。圖1的頻譜上顯示了FAG 23184耳軸軸承的外圈缺陷頻率，該圖譜上的頻率與理論計算的缺陷頻率一致。圖1的數(shù)據(jù)通過加速度包絡(luò)技術(shù)采集，該技術(shù)能采集金屬和金屬之間摩擦產(chǎn)生的高頻能量。當(dāng)速度譜有太多的噪聲，無法發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷時，加速度包絡(luò)分析是非常有效的一種分析手段來發(fā)現(xiàn)缺陷。從圖2可以看出，通過使用加速度包絡(luò)技術(shù)，工程師提前6個月就發(fā)現(xiàn)了該軸承的早期缺陷。

圖2 有缺陷的軸承加速度包絡(luò)總值趨勢圖

軸承缺陷。用速度譜分析設(shè)備的故障是一種國際標(biāo)準(zhǔn)，但是工程師們數(shù)年來的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)速度譜很難檢測這種低速設(shè)備的軸承缺陷。然而，通過合理的數(shù)據(jù)庫設(shè)置，加速度包絡(luò)可以在設(shè)備產(chǎn)生缺陷的初期就能發(fā)現(xiàn)缺陷。通常需要知道是什么位置的缺陷產(chǎn)生了振動能量，必需了解設(shè)備上相關(guān)的軸承的類型和各個旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速。

通常在這些設(shè)備表面（例如端蓋和法蘭上）安裝加速度傳感器，有的時候高頻部分的能量容易被設(shè)備表面吸收和反射回去，因?yàn)檫@些端蓋、法蘭的墊片和厚重的油漆阻滯了能量的傳遞，因此傳感器應(yīng)該盡量的安裝在靠近軸承承載區(qū)的位置。采集低速設(shè)備的信號時，應(yīng)盡量多采集幾轉(zhuǎn)，此案例中采樣時間長3 min。

2.環(huán)境噪聲

見圖3，液壓馬達(dá)噪聲非常大，噪聲經(jīng)常能淹沒軸承缺陷的能量值，在這個案例中，液壓馬達(dá)的振動頻率非常接近軸承缺陷頻率。圖4時域波形中顯示能量主要是液壓脈動噪聲產(chǎn)生的，間隔頻 率 為 44.3 r/min（ 0.738 Hz） 。

當(dāng)液壓流體流經(jīng)閥門和活塞的時候，高壓產(chǎn)生了大量的高頻噪聲，這些噪聲能淹沒軸承的缺陷頻率，見圖5，短條光標(biāo)顯示的是液壓馬達(dá)的脈動頻率及其倍頻44 Hz。3 r/min（0.738 Hz），長條光標(biāo)顯示的是軸承缺陷頻率 44.8 r/min（ 0.747 Hz） 及其倍頻。檢修發(fā)現(xiàn)該軸承已經(jīng)產(chǎn)生了中度的外圈滾道剝落，見圖6。

圖3 低速軸承附近的高噪聲

圖4 時域波形

圖5 鼓式置換洗漿機(jī)軸承缺陷

對于兩個相鄰的振動源且這兩個振動源的頻率非常接近，那么一定需要比較高的分辨率。為了獲得較高的分辨率，還必需采集多個旋轉(zhuǎn)周期的振動信號，因此上述頻率數(shù)據(jù)的采集時間超過了5 min。

圖6 軸承外圈滾道剝落

3.軸承內(nèi)圈裂紋

由于不正當(dāng)?shù)陌惭b方式、潤滑油不足、不正確的開機(jī)流程，有時候紙機(jī)設(shè)備的軸承會出現(xiàn)內(nèi)圈裂紋。這種情況的出現(xiàn)可能會軸承與軸一起轉(zhuǎn)動的嚴(yán)重后果，最終在軸上產(chǎn)生溝，如此將導(dǎo)致新的軸承很難安裝。因此，對于軸承內(nèi)圈裂紋的情況，必需及早預(yù)防和分析，分析的難點(diǎn)在于如何獲取早期缺陷帶來的微弱振動能量。加速度包絡(luò)技術(shù)是一種可以有效提取滾子和裂紋沖擊高頻振動的方法之一，事實(shí)上，這種技術(shù)可以精確區(qū)分在內(nèi)圈上究竟是產(chǎn)生了裂紋還是發(fā)生了剝落（圖7、圖8）。

速度譜僅僅在有裂紋的滾子經(jīng)過承載區(qū)的時候才能產(chǎn)生顯著的振動能量，見圖8。當(dāng)載荷沒有作用在裂紋上的時候，軸承不會產(chǎn)生明顯有意義的運(yùn)動，圖9描述了在旋轉(zhuǎn)過程中載荷施加在裂紋上的變化。

圖7 SKF加速度包絡(luò)譜清晰顯示軸承內(nèi)圈缺陷

圖8 速度譜很難發(fā)現(xiàn)缺陷頻率

圖9 載荷施加在裂紋上的變化

圖10 速度時域波形

從圖10的速度時域波形可以看到，該設(shè)備的齒輪嚙合頻率是2172 r/min，這個頻率成分非常大，淹沒了軸承內(nèi)圈的缺陷頻率。

從圖11的加速度包絡(luò)時域波形可以看出，即使?jié)L子上沒有載荷加載，加速度包絡(luò)技術(shù)也能夠解調(diào)出微弱的滾子沖擊裂紋的振動信號。圖11上有雙列光標(biāo)，這是因?yàn)樵撦S承有雙列滾子沖擊內(nèi)圈的裂紋所造成的，見圖12，該軸承剛剛開始出現(xiàn)內(nèi)圈裂紋，并且在裂紋邊緣有輕微翻轉(zhuǎn)。況能激勵其較高的振動幅值。這種沖擊頻率和外圈滾道的缺陷頻率一致，以至于出現(xiàn)這種情況時，工程師通常會誤診，認(rèn)為是嚴(yán)重的軸承缺陷。在很多案例里由于誤診，軸承被錯誤地拆卸了。但是，如果工程師受過專業(yè)的軸承知識和分析技巧的培訓(xùn)，這種誤診斷是可以避免的，可以通過時域波形判斷出在頻譜中出現(xiàn)的這種頻率，究竟是軸承故障還是滾子穿梭。

圖11 加速度包絡(luò)時域波形

4.低速軸承缺陷的誤診斷

誤診斷，見圖13。這個頻譜上的頻率剛好等于SKF 23184E的計算軸承缺陷頻率，但是實(shí)際上這個軸承并沒有產(chǎn)生軸承缺陷。這個振動頻率產(chǎn)生的原因是因?yàn)闈L子穿梭。

滾子穿梭的定義。為了更好的理解滾子穿梭，可以把它想象成過山車中的一個離心大回環(huán)，列車非?？焖俚耐ㄟ^大回環(huán)，速度快到即使列車反轉(zhuǎn)的時候也能緊緊的抓牢鐵軌，這通過離心力實(shí)現(xiàn)，而離心力跟速度是平方的關(guān)系。在正常速度運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承中，由于離心力的作用，當(dāng)滾動體離開承載面時它會緊緊的貼緊軸承外圈滾道。但是低速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承滾動體在離開承載區(qū)的時候卻并不總是緊緊貼住軸承外圈滾道，這是因?yàn)樗艿降膽T性力小于其自身重力，在這種情況下滾子會在保持架中比較自由的到處移動。

當(dāng)滾動體在承載區(qū)的時候，它們隨著保持架一起運(yùn)動，當(dāng)離開承載區(qū)的時候，保持架抬起它們，然后再落入承載區(qū)，當(dāng)滾子被抬起和落下的時候，滾動體在保持架中不停的變換位置。這種相對運(yùn)動稱之為滾子穿梭。在這種情況下滾動體相當(dāng)于一個小的力錘，相對于表面缺陷來說，這種情

圖12 內(nèi)圈裂紋剛出現(xiàn)裂紋邊緣有輕微翻轉(zhuǎn)

圖13 譜圖上頻率等于儀器計算的缺陷頻率

5.低速軸承缺陷的早期檢測

圖14 低速烘缸軸承驅(qū)動端速度頻譜

圖14的頻譜中顯示了清晰的軸承外圈缺陷頻率，拆開后發(fā)現(xiàn)軸承出現(xiàn)點(diǎn)蝕缺陷，見圖15。但是從頻譜中看，軸承缺陷頻率的基頻值只有0.0305 mm/s（0.0012 inches/s）。轉(zhuǎn)換成加速度信號，也就意味著加速度傳感器需要采集到0.000 085 g的微弱振動，這樣必須要確保數(shù)據(jù)采集儀在需要采集所有振動數(shù)據(jù)時，能準(zhǔn)確分辨出0.000 043 V的微弱電壓信號。因此，加速度傳感器必需具備低噪聲和適當(dāng)?shù)脑鲆妫@個數(shù)據(jù)通過一種具有高頻響應(yīng)的低頻傳感器采集。大多數(shù)低頻傳感器的性能指標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)高的頻率響應(yīng)，而檢測內(nèi)圈裂紋通常需要這種具備高頻響應(yīng)的低頻傳感器。

圖15 軸承出現(xiàn)點(diǎn)蝕缺陷及大面積剝落

數(shù)據(jù)采集儀必需具備高性能的數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換。舉例來說，假設(shè)一臺數(shù)據(jù)采集儀，擁有24位A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換，那么在時域波形采樣過程中，可以采集超過100萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)，尤其對于那些有多種振動源存在的設(shè)備。比如有些設(shè)備齒輪數(shù)達(dá)到上千個，此時工程師想要準(zhǔn)確地區(qū)分出振動源來自哪些部件，就需要非常高分辨率的儀器了。

傳感器、電纜、接頭、數(shù)據(jù)采集器必需具備強(qiáng)有力抗電磁噪聲干擾的能力，許多時候振動分析師選擇了不合適的加速度傳感器和電纜，而且在常規(guī)轉(zhuǎn)速設(shè)備檢測的時候不容易被察覺，但是當(dāng)電磁干擾出現(xiàn)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備時，干擾會顯著降低數(shù)據(jù)采集和分析的準(zhǔn)確性。