夏姣姣，張建峰，陳文禮，張韋杰，王 瑞

（北京首寶核力設(shè)備技術(shù)有限公司唐山曹妃甸分公司，河北唐山 063200）

0 引言

由于冷軋現(xiàn)場(chǎng)張力輥工作環(huán)境惡劣，潮濕且伴有灰塵、油污，并且負(fù)荷較大，軸承發(fā)生故障的概率較大。為了保障張力輥的穩(wěn)定、高效運(yùn)行，需要及時(shí)排查滾動(dòng)軸承的各種故障，在充分研究滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)其故障形式振動(dòng)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 滾動(dòng)軸承振動(dòng)的原因分析

軸承是機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中主要的零件之一，快速、有效地找出軸承損傷和故障的原因，是預(yù)防其出現(xiàn)問題的關(guān)鍵。軸承的選擇是基于軸承額定使用壽命的要求。但在實(shí)際的設(shè)備中使用中，由于搬運(yùn)、安裝、維護(hù)以及潤滑過程中的不當(dāng)操作或疏忽，有很多軸承的實(shí)際使用壽命和額定使用壽命相差很大的情況，最終工業(yè)中軸承自然失效的比例僅占9%。因此振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在軸承運(yùn)行中的使用很有必要。

造成滾動(dòng)軸承振動(dòng)的因素有很多，有的與設(shè)備有關(guān)，有的與制造工藝有關(guān)，還有的與軸承裝配精度及工作運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。在運(yùn)行過程中，滾動(dòng)軸承機(jī)械故障的出現(xiàn)是隨機(jī)的，隨機(jī)振動(dòng)的振幅也是相對(duì)增加的，這是因?yàn)楸砻媪踊牟课灰彩请S機(jī)的。通過對(duì)軸承振動(dòng)的剖析，找出特點(diǎn)，并通過不同的檢測(cè)分析的方法的研究，從振動(dòng)信號(hào)中獲取振源的可靠信息，可以用來進(jìn)行滾動(dòng)軸承的故障診斷。

滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)決定了其在恒定載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承內(nèi)的載荷分布呈周期性變化。如滾動(dòng)體和外圈接觸點(diǎn)的變化，使系統(tǒng)的剛度參數(shù)形成周期性的變化，而且是一種對(duì)稱的周期變化，從而使其恢復(fù)力呈非線性的特征。由此便產(chǎn)生了與剛度變化周期相應(yīng)的多階諧波振動(dòng)。

2 振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)待測(cè)機(jī)器的各項(xiàng)參數(shù)在軟件中建立數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫倒入便攜式振動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀，通過加速度傳感器采集數(shù)據(jù)，然后再導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過帶通濾波器，濾掉低頻機(jī)器振動(dòng)，得到高頻部分的振動(dòng)；然后再利用包絡(luò)技術(shù)，檢測(cè)電路將濾出的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行平方運(yùn)算（整流），再進(jìn)行濾波；最后通過快速傅里葉變換將整流濾波后的時(shí)域波形轉(zhuǎn)換成頻譜，從而判斷軸承的損壞部位。

測(cè)點(diǎn)選在與軸承座連接剛度較高的地方或箱體上，以盡可能多地獲得軸承外圈本身的振動(dòng)信號(hào)為原則，如果需定期巡檢，每次測(cè)點(diǎn)位置要一致，采集的數(shù)據(jù)才具有可比性。傳感器應(yīng)盡可能布置在載荷密度大的地方，以獲取盡可能大的軸承本身的振動(dòng)信號(hào)。

離線振動(dòng)頻譜采集儀的檢測(cè)條件：①離線振動(dòng)頻譜采集儀適用于勻速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備；②離線振動(dòng)頻譜采集儀所使用的加速度傳感器只針對(duì)滾動(dòng)軸承；③滾動(dòng)軸承振動(dòng)檢測(cè)必須提供軸承型號(hào)或軸承缺陷頻率，對(duì)于非標(biāo)軸承需要提供軸承缺陷頻率；④數(shù)據(jù)采集過程中要求每根軸的轉(zhuǎn)速不低于42 r/min；⑤要求提供數(shù)據(jù)采集過程中的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

3 檢測(cè)及故障分析

3.1 待測(cè)機(jī)器情況

2019 年1 月18 日，冷軋某條產(chǎn)線張力輥的減速機(jī)一軸（輸入軸）輸入端設(shè)備振動(dòng)較大、伴隨異響，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢工程師懷疑電機(jī)與減速機(jī)之間存在軸不對(duì)中問題。現(xiàn)場(chǎng)勘查后，收集設(shè)備參數(shù)，1 月24 日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的機(jī)器各項(xiàng)參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)點(diǎn)檢工程師提供帶鋼運(yùn)行速度（四軸即低速軸）及輥?zhàn)又睆?，?jì)算出一軸轉(zhuǎn)速1221.555 r/min。由減速機(jī)的齒數(shù)計(jì)算出各軸轉(zhuǎn)速（圖1）。

3.3 分析頻譜

（1）一軸的輸入端加速度包絡(luò)頻譜中出現(xiàn)異常沖擊諧波且有倍頻出現(xiàn)，同時(shí)存在轉(zhuǎn)頻的邊頻帶，且振動(dòng)總值較大（圖2）。

（2）二 軸、三軸、四軸時(shí)域均未出現(xiàn)明顯沖擊，包絡(luò)譜中未見明顯異常峰值（圖2）。

圖1 減速機(jī)的齒數(shù)計(jì)算出各軸轉(zhuǎn)速

3.4 高速軸頻譜計(jì)算

（1）頻率計(jì)算。轉(zhuǎn)頻為20.35 Hz 時(shí)，外圈（BPFO）缺陷頻率為165.85 Hz；內(nèi)圈（BPFI）缺陷頻率為220.59 Hz；滾動(dòng)體（BSF）缺陷頻率為69.19 Hz；保持架（FTF）缺陷頻率為8.73 Hz。

圖2 一軸的輸入端加速度包絡(luò)頻譜圖

（2）讀頻率。頻譜圖中一倍頻的位置近似于發(fā)現(xiàn)軸承外圈的缺陷頻率，接近理論計(jì)算結(jié)果,同時(shí)與低頻段的特征頻率對(duì)應(yīng)，據(jù)此判斷是軸承外圈出現(xiàn)了問題

（3）讀幅值。包絡(luò)振動(dòng)總值較大，近似于31.95 gE，據(jù)此判斷軸承外圈出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的問題（圖2）。

3.5 建議

懷疑該軸承外圈出現(xiàn)損傷，建議及時(shí)準(zhǔn)備軸承備件，檢修期間進(jìn)行檢查，跟蹤振動(dòng)趨勢(shì)變化和溫度變化，安排定修更換計(jì)劃，當(dāng)發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)上升較快時(shí)，則盡早安排檢修更換。

3.6 二次檢測(cè)

于2019 年2 月12 日進(jìn)行了二次檢測(cè)，高速軸（一軸）頻譜圖見圖3。

圖3 一軸輸入端驅(qū)動(dòng)側(cè)包絡(luò)頻譜圖

對(duì)比上次的頻譜圖，發(fā)現(xiàn)包絡(luò)值增大到40.73 gE，說明高速軸軸承故障的發(fā)展趨勢(shì)非?？欤O(shè)備運(yùn)行已達(dá)到高危險(xiǎn)狀態(tài)，建議立即進(jìn)行更換。

4 軸承更換

于2019 年2 月14 日檢修時(shí)進(jìn)行了更換，減速機(jī)開箱后檢查，發(fā)現(xiàn)軸承外圈已經(jīng)損壞（圖4）。

圖4 軸承外圈已經(jīng)損壞

5 總結(jié)

在設(shè)備故障診斷中，頻譜圖對(duì)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)變化以及故障隱患部件的準(zhǔn)確判斷，均起到了極其重要的作用。振動(dòng)診斷技術(shù)的引入，不僅避免了過度維修和被動(dòng)維修，降低了成本，提高了效率，在很大程度上也避免了災(zāi)難性事故的發(fā)生。