铣面机主轴推力轴承在线故障诊断及技术改造

路奎华，王月明

(1.斯凯孚(中国)销售有限公司，山东 青岛 266071；2.萨帕铝热传输(上海)有限公司，上海 200000)

一、概况

铣面机于2011年10月安装投运，并为其安装了SKF在线监测系统，设有1个IMX单元和12个振动传感器。

铣面机主轴为立式结构，传动系统是由电机通过弹性柱销联轴器直接带动主轴。其中电机功率为560kW，额定转速为595r/min。主轴上有NNU4960、51164、81164、NNU49604轴承。在线监测系统配置如图1所示。

二、铣面机主轴轴承在线故障诊断过程

2011年10月21日，从SKF在线监测系统中发现3#测点振动速度谱上有16倍主轴转频的多次谐波，初步怀疑该转频为刀盘上刀片的通过频率，后确认该主轴刀盘上仅有14个刀片，这说明16倍主轴转频并不是刀片的通过频率。再进一步分析频谱，发现该16倍主轴转频的高次谐波还存在明显的半倍转频边带(5Hz)，频谱图见图2。

根据轴承缺陷频率计算公式，计算3#测点轴承缺陷频率，即：

轴承内圈缺陷频率=Nb/2×S[1+(Bd/Pd)×cosA]

轴承外圈缺陷频率=Nb/2×S(1-(Bd/Pd)×cosA)

滚动体缺陷频率=(Pd/2Bd)×S[1-(Bd/Pd)×cosA]2

保持架缺陷频率=S/2×[1-(Bd/Pd)×cosA]

式中：Nb——轴承滚动体个数；

S——轴转速；

图1 铣面机主轴在线监测系统配置图

图2 3#测点轴向振动速度谱

Bd——滚动体直径；

Pd——滚动体分布圆直径；

A——接触角，°。

由于3#测点81164推力轴承的接触角是90°，即cosA= cos90°=0。那么，推力轴承轴圈缺陷频率=座圈缺陷频率=Nb/2×S，滚动体缺陷频率=(Pd/2Bd)×S，保持架缺陷频率=S/2。进一步核实81164轴承滚动体个数为32个，所以轴承轴圈缺陷频率=轴承座圈缺陷频率=16倍主轴转频，保持架缺陷频率=1/2倍主轴转频。也就是说，在线系统中显示的3#测点振动速度谱上16倍主轴转频的高次谐波为81164轴承轴圈和座圈缺陷频率，5Hz的边频带为81164推力轴承保持架缺陷频率。

综上分析，3#测点处81164推力轴承存在损伤。但从振动趋势上看还比较平稳，建议加强监控，密切跟踪观察其振动趋势。

三、故障跟踪及拆检

2011年11月11日在线系统显示，4个振动测点的加速度包络总值逐步增大，趋势有所上升，特别是3#测点的加速度包络值趋势变化相对明显。从11月15日3#测点包络趋势变化又趋于平稳。此时，DCS控制室显示轴承温度40℃左右。结合点检人员和现场生产人员的反馈，确认该轴承还可以继续运行。

12月2日在线系统显示3#测点加速度包络值又开始有显著变化，12月3日加速度包络值已达到23gE，且加速度包络谱中81164的座圈、轴圈缺陷频率占振动能量的主要成分，加速度包络值持续上升(图3)。

12月7日DCS控制室显示主轴轴承温度已达到53℃，综合分析判断81164推力轴承损伤已有明显恶化趋势，据此决定对主轴进行更换处理。

图3 3#测点加速度包络趋势图

12月14日，维修人员拆卸并更换了主轴，发现81164轴承损坏严重，其中滚动体和轴承座圈、轴圈均失效。

四、失效分析及技术改进

结合轴承历史状况，综合分析确认此失效模式主要是由于轴承预负荷不足造成的。

为了解决此问题，通过计算确定需要在轴向上安装一个可以产生6.37kN的弹簧给予预紧，防止在滚动体和滚道之间产生滑动(图4)。

图4 改进后的图纸

最小轴向负荷(预紧力)计算公式：

Fam=A(n/1000)2=18(595/1000)2=6.37kN

式中：Fam——最小轴向负荷，kN；

A——最小负荷系数；

n——设备实际转速，r/min。

改造后，设备的MTBF(设备平均故障间隔时间)从以前的3个月提高到8个月，大幅降低了维修成本，设备运行可靠性明显提高。

五、总结

1.铣面机轴承配置的特殊性，存在两个推力轴承，推力轴承的缺陷通过频率与径向轴承的缺陷通过频率的特点不同，需要区别分析。

2.在线状态监测系统为铣面机提供了24h的实时监控，可有效避免严重突发事故，并为了解故障现象和分析故障原因提供可靠数据依据，进而实现了设备的预知性维修。