包絡(luò)技術(shù)在滾動(dòng)軸承早期故障診斷中的應(yīng)用

李志文

（岳陽(yáng)林紙股份有限公司，湖南岳陽(yáng) 414000）

包絡(luò)技術(shù)在滾動(dòng)軸承早期故障診斷中的應(yīng)用

李志文

（岳陽(yáng)林紙股份有限公司，湖南岳陽(yáng) 414000）

加速度包絡(luò)技術(shù)的檢測(cè)原理，結(jié)合設(shè)備故障的實(shí)際診斷案例，說(shuō)明加速度包絡(luò)技術(shù)對(duì)沖擊信號(hào)的高度敏感，對(duì)檢測(cè)軸承早期故障有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

加速度包絡(luò)；頻譜分析；軸承故障頻率

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.61

0 概述

軸承（注：以下如無(wú)特別說(shuō)明，均特指滾動(dòng)軸承）運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)機(jī)器設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用。因此，人們對(duì)軸承的運(yùn)行狀況不再滿足于“好”與“壞”的判斷，而是希望在軸承出現(xiàn)早期故障時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，讓生產(chǎn)人員有足夠的時(shí)間來(lái)合理制定生產(chǎn)計(jì)劃，優(yōu)化維修策略，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。軸承早期故障的診斷方法有加速度包絡(luò)，沖擊脈沖，聲發(fā)射等，其中加速度包絡(luò)因診斷的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 加速度包絡(luò)技術(shù)原理

加速度包絡(luò)技術(shù)是利用共振解調(diào)法將軸承故障產(chǎn)生的高頻加速度信號(hào)移到低頻段來(lái)分析，避免了低頻信號(hào)的干擾，并能準(zhǔn)確診斷軸承具體故障的元件。以軸承外圈故障為例說(shuō)明加速度包絡(luò)技術(shù)的檢測(cè)原理。

圖1為軸承外圈故障示意圖，每當(dāng)滾動(dòng)體滾過(guò)故障位置時(shí)，都將對(duì)軸承外圈產(chǎn)生1次沖擊，理想沖擊信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式見(jiàn)式（1），進(jìn)行傅立葉變換后得式（2）。

式（2）的物理含義是理想的沖擊信號(hào)在所有頻段上都具有相同的強(qiáng)度，圖形表達(dá)見(jiàn)圖2。根據(jù)沖擊信號(hào)的這一特點(diǎn)，當(dāng)滾動(dòng)體滾過(guò)故障處時(shí)所產(chǎn)生的沖擊能量必將覆蓋到軸承外圈的固有振動(dòng)頻率，并激發(fā)出軸承外圈的固有振動(dòng)，如圖3所示。

圖1 軸承外圈故障示意

圖2 沖擊信號(hào)頻域圖

圖3 軸承外圈固有振動(dòng)激發(fā)

由于阻尼的存在，固有振動(dòng)將按指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，此固有振動(dòng)的頻率一般為幾kHz至幾十kHz。其衰減信號(hào)如圖4所示。

圖4 自由振動(dòng)衰減信號(hào)

由于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的周期性，沖擊信號(hào)呈周期性出現(xiàn)，但該信號(hào)具有高頻（頻率高）低能（能量低）的特點(diǎn)，很容易淹沒(méi)于機(jī)器運(yùn)行、噪聲等所產(chǎn)生的信號(hào)中而不易被發(fā)現(xiàn)。因此，在分析原始加速度信號(hào)前，先要對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理，過(guò)濾掉低頻信號(hào)，提高信噪比，然后再對(duì)高頻信號(hào)中的周期成分進(jìn)行包絡(luò)檢波，得到?jīng)_擊信號(hào)的出現(xiàn)頻率，從而判斷軸承故障。信號(hào)處理過(guò)程如圖5所示。

圖5 包絡(luò)檢波原理

圖中“T”是包絡(luò)檢波后得到的沖擊信號(hào)的出現(xiàn)周期，根據(jù)頻率與周期的倒數(shù)關(guān)系，可得到?jīng)_擊信號(hào)出現(xiàn)的頻率。如果沖擊信號(hào)出現(xiàn)的頻率與軸承外圈的故障頻率相同，就說(shuō)明軸承外圈出現(xiàn)了故障。因?yàn)闈L動(dòng)體每滾過(guò)故障處，就必將對(duì)軸承外圈產(chǎn)生1次沖擊，使外圈產(chǎn)生固有頻率振動(dòng)，而滾動(dòng)體滾過(guò)故障處的頻率就是軸承故障頻率。軸承內(nèi)圈的加速度包絡(luò)分析與此相同。

2 加速度包絡(luò)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

應(yīng)用加速度包絡(luò)技術(shù)，不僅可以判斷軸承早期故障，還可以判斷軸承的具體故障元件。以下結(jié)合實(shí)際檢測(cè)案例說(shuō)明此項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用。

2.1 胸輥軸承故障

（1）異常現(xiàn)象。三抄車間網(wǎng)部胸輥的振動(dòng)值由0.5 mm/s突然上升到1.5 mm/s，且傳動(dòng)側(cè)軸承油脂發(fā)黑，但軸承運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)明顯異響。

（2）包絡(luò)分析。振動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，軸承的加速度包絡(luò)譜存在明顯的異常。頻譜見(jiàn)圖6。

圖6 胸輥傳動(dòng)側(cè)軸承加速度包絡(luò)譜

從圖6可以看出，引起胸輥振動(dòng)上升的主要原因?yàn)轭l率為55.27 Hz的振動(dòng)，該振動(dòng)還產(chǎn)生了基于主振頻率的多次諧波。根據(jù)軸承型號(hào)與胸輥轉(zhuǎn)速，計(jì)算得出軸承外圈故障頻率為55.27 Hz，與該頻率相符，說(shuō)明軸承外圈出現(xiàn)故障。但該頻率的振動(dòng)幅值很小，說(shuō)明軸承故障應(yīng)處于早期。

根據(jù)診斷意見(jiàn)對(duì)胸輥進(jìn)行監(jiān)護(hù)運(yùn)行，半年后胸輥因?yàn)檩伱鎲?wèn)題下機(jī)，檢查軸承發(fā)現(xiàn)軸承外圈有明顯擦傷跡象，見(jiàn)圖7。

軸承實(shí)際檢查結(jié)果驗(yàn)證了此前的判斷。根據(jù)軸承的檢查結(jié)果，判斷軸承未到更換周期還能繼續(xù)運(yùn)行。

圖7 軸承外圈擦傷

2.2 干燥部帆布輥軸承故障

（1）異常現(xiàn)象。1臺(tái)年產(chǎn)20萬(wàn)t，設(shè)計(jì)車速1500 m/min的高速紙機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中干燥部一帆布輥振動(dòng)異常。

（2）包絡(luò)分析。在對(duì)帆布輥兩側(cè)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)側(cè)軸承加速度包絡(luò)譜有明顯異常，存在明顯的軸承故障頻率，并且還出現(xiàn)了邊頻帶，見(jiàn)圖8。

圖8 帆布輥包絡(luò)譜

圖8數(shù)據(jù)表明，故障頻率為145.6 Hz，并產(chǎn)生了基于該頻率的多次諧波。通過(guò)計(jì)算，該頻率為軸承內(nèi)圈故障頻率。并且在主頻兩邊還出現(xiàn)了基于輥?zhàn)愚D(zhuǎn)頻的邊頻帶，說(shuō)明沖擊信號(hào)明顯。雖然沖擊信號(hào)明顯，但信號(hào)的幅值總體來(lái)說(shuō)都較小，因此，判斷軸承故障處于前期，可以監(jiān)護(hù)運(yùn)行。

根據(jù)診斷結(jié)果，并未立即采取維修措施。之后，利用停機(jī)時(shí)間更換該軸承時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈有一處約1 mm×2 mm大小的表層金屬剝落，見(jiàn)圖9。軸承檢查結(jié)果與診斷結(jié)果基本一致。

圖9 軸承內(nèi)圈剝落

2.3 齒輪箱軸承故障

（1）異?，F(xiàn)象。某紙機(jī)因伏輥齒輪箱振動(dòng)大，長(zhǎng)期以來(lái)只能被迫低于額定車速運(yùn)行。齒輪箱直接安裝在輥?zhàn)由?，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意

（2）包絡(luò)分析。通過(guò)對(duì)齒輪箱的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)齒輪箱輸入端加速度包絡(luò)值達(dá)到30 gE，嚴(yán)重超標(biāo)。包絡(luò)譜如圖11所示。

圖11 加速度包絡(luò)譜

從圖11中數(shù)據(jù)分析，軸承外圈故障頻率（BPFO）的4×頻與齒輪嚙合頻率（GMF）幾乎重合。說(shuō)明激起軸承故障頻率的沖擊能量與齒輪嚙合時(shí)所造成的沖擊能量是同步的，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這種同步與車速無(wú)關(guān)，它隨車速而變化，并時(shí)刻保持同步。這種同步使設(shè)備產(chǎn)生了類似共振的振動(dòng)，制約了紙機(jī)的提速。

根據(jù)論斷結(jié)果，重新采購(gòu)了齒輪箱備件，并對(duì)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。新備件安裝后，紙機(jī)提速正常，運(yùn)行情況良好。

3 結(jié)語(yǔ)

加速度包絡(luò)技術(shù)對(duì)沖擊信號(hào)非常敏感，對(duì)檢測(cè)軸承早期故障有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際運(yùn)用中必須注意，當(dāng)軸承故障發(fā)展到中后期時(shí)，此時(shí)由于滾道磨損、剝落嚴(yán)重，滾動(dòng)體滾過(guò)故障處時(shí)將很難產(chǎn)生沖擊能量，這樣在加速度包絡(luò)譜中反而很難檢測(cè)到軸承故障信號(hào)。因?yàn)榇藭r(shí)軸承的故障頻率主要表現(xiàn)為通過(guò)頻率，而非沖擊能量所激起的軸承故障頻率。因此，在對(duì)軸承進(jìn)行故障診斷時(shí)，還需要結(jié)合速度譜進(jìn)行分析，單純依靠加速度包絡(luò)分析易產(chǎn)生漏判和誤判。

TH133.33

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〔編輯 李 波〕