振动分析设备在线监测与故障诊断

尹大山 徐 龙 刘乃启

1．引言

大型旋转机械作为企业生产的核心设备，其结构复杂、精密，不易修复，供货周期长，如其失效，必定会造成系统性长时间停机。通过在线监测与故障诊断技术，可有效对大型旋转机械设备进行状态管控。

1.1 提高机组运行的可靠性、安全性

在线监测技术能够及时、正确地对机组的各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，避免重大事故发生，保证设备安全，可靠运行。

1.2 给企业带来可观的经济效益

由于在线监测技术能避免因突发性故障发生造成的经济损失，延长机组使用寿命。还能为制定有计划的维修提供依据，可在适宜时间安排维修，缩短维修时间，减少备件数，降低设备的维修费用，能给企业带来巨大的经济效益。

2．大型旋转机械常见故障

2.1 滚动轴承故障

2.1.1 轴承故障类型。影响滚动轴承寿命的因素主要有：载荷、润滑、装配、腐蚀、制造缺陷、正常的疲劳。

常见的失效形式主要有：疲劳剥落、裂纹和断裂、压痕、磨损、电流腐蚀、锈蚀、润滑失效。

2.1.2 滚动轴承的振动特征与分析方法。滚动轴承有缺陷时，会产生激振力，不同故障类型发出的激振力的频率一般是有规律的，这些频率称为特征频率或故障频率。

1）幅值判别。振动信号的有效值即为振动能量的大小。当轴承产生异常后，其振动会增大。可以用有效值作为轴承异常的判断指标。

2）频谱分析。根据滚动轴承的运动关系式计算，得到各项特征频率，在频谱图中找出变化，从而判别故障的存在与部位。

对于频谱中，不仅需要观察轴承特征及谐波特征，还需关注轴承特征所带有的边带特征。需要关注边带特征的对称程度、丰富程度、轴承特征能量相比的边带能量大小，边带特征是判断缺陷严重程度的有效手段。

3）时域波形分析。重点在信号的冲击、调制特征，明确调制及冲击的间隔。对于冲击需要明确是否具有周期性。冲击的周期性或随机性对于故障判断的定位、缺陷严重程度有重要的意义。

4）包络解调法。也称包络检波频谱分析法，是目前滚动轴承故障诊断中最常用的方法之一。

2.2 齿轮故障

2.2.1 齿轮轮齿失效形式有：齿面点蚀、齿面磨损、轮齿折断、齿面胶合、轮齿塑性变形。

2.2.2 故障齿轮频谱和波形特征。

1）故障齿轮在啮合频率及其谐波频率上有较大的振动分量。在相同工作条件下，将故障齿轮箱频谱与基准频谱进行对比，要注意频谱中的啮合频率及其二倍和三倍频。根据明显增大的啮合频率分量和其谐波分量，可以确定故障的齿轮。其方法是看啮合频率幅值的消长和谐波的分布。

2）在啮合频率及其谐波频率附近有表明调制作用的边频带。在对比基准频谱时，注意啮合频率及其二倍和三倍频有无边频带。根据边频的频率间隔，确定故障（即产生调制的故障所在），边频幅值的大小，表明故障的严重程度。

3）齿轮缺陷产生的冲击可以激发一个或多个齿轮的自振，自振频率是各齿轮的固有频率。在自振频率两侧有故障齿轮转速调制产生的边频，在高分辨率细化谱上也可以进行诊断。

表1 设备基本参数

4）利用连续监测判定齿面点蚀剥落程度。新齿轮全频范围内振动水平低，啮合频率分量及其二、三次谐波分量的幅值依次减小。中等点蚀程度的齿轮，频谱振动水平增大，啮合频率二次谐波幅值超过基波幅值，且二次谐波边频增多。

5）对于螺线齿轮、斜齿轮和人字齿轮，轴向振动大，其频谱特征与径向振动相同。

3．大型旋转机械故障诊断的应用

通过在线监测与故障诊断技术，发现某带钢生产线精轧机振动异常，跟踪发现在轧制薄规格（0.9mm-1.1mm）时轧机振动异常，对其进行重点设备状态监测。见表1。

3.1 设备状态分析

1）齿轮基座加速度时域可见团状调制，非冲击，间隔为2.457hz；频谱中73.75hz（为2.461hz的29.97X，近似齿轮啮合频率）存在大量谐波，且带有2.461hz边带；可见此能量存在一个较宽频带，与所带边带不成一定比例。

2）齿轮基座加速度时域可见团状调制，非冲击，间隔为2.447hz；频谱中90.547hz（为2.441hz的37.09X，鼓形齿频率）谐波特征显著，且带有同步轮转频2.441hz边带；同时可见70.977hz（为2.441hz的29.07X，近似齿轮啮合频率）谐波，携带2.441hz少量边带，应为同步齿啮合频率，幅值相对较低。

3）齿轮基座速度时域可见非冲击；频谱中16.719hz谐波特征显著。

4）减速机频谱中仍可见 90.547hz 能量带有2.441hz 边带，同时可见 115.039hz 谐波，为减速箱齿轮啮合频率（此时减速箱 1 轴输入转频约为4.79hz），未见显著边带。包络解调可见减速箱 1轴轴承外圈及保持架特征（外圈约保持架 29X，推测23080 轴承滚动体为 29 个），依据频段及能量幅值，轴承外圈损伤相对早期。

3.2 后续追踪

利用3月定修时间对该齿轮基座进行拆检，发现齿轮边部有轻微磨损，轴承侧隙过大情况，随即调整轴承侧隙，目前运行良好。

利用9月定修时间对减速机外端盖进行拆盖检查，未发现外侧异常。之后，利用10月定修时间对该减速机进行拆观察孔、侧盖，利用手摸、内窥镜，发现轴承顶部外圈内壁偏出口方向约10°位置存在两处剥落，一处2cm×4cm深0.2mm左右，另一处1.5cm×3cm最深处1mm。持续运行跟踪中。

2017年11月末，根据生产计划，安排20小时对该减速机轴承进行更换。更换后异常频率消失，振动值正常，设备运行稳定。

4．结论及建议

从在线采集数据分析：轧机齿轮基座运行状态异常，齿轮基座存在啮合不良、鼓形齿异常；输出端存在摩擦特征频率，频率幅值较低；现场受生产轧制影响，轧机齿轮基座振动幅值均偏高。轧机减速机输入轴轴承外圈点蚀，两齿轮齿面及同步轮齿面基本正常，无明显损伤。

建议：1）优化轧机运行负荷，减少冲击性负荷对齿轮基座的影响；2）检查润滑状态，计划停机时检查齿轮基座轴承、齿轮、鼓形齿间隙及磨损情况；3）定周期对轴承温度进行检测，并对齿轮基座润滑油理化指标进行检测；4）持续跟踪该齿轮基座振动变化趋势，同时，利用点检手段促进设备状态全面掌握。

参考文献略