离线振动监测系统在滚动轴承的应用

夏姣姣，张建峰，陈文礼，张韦杰，王 瑞

（北京首宝核力设备技术有限公司唐山曹妃甸分公司，河北唐山 063200）

0 引言

由于冷轧现场张力辊工作环境恶劣，潮湿且伴有灰尘、油污，并且负荷较大，轴承发生故障的概率较大。为了保障张力辊的稳定、高效运行，需要及时排查滚动轴承的各种故障，在充分研究滚动轴承结构的基础上对其故障形式振动特征进行系统分析。

1 滚动轴承振动的原因分析

轴承是机器设备运转中主要的零件之一，快速、有效地找出轴承损伤和故障的原因，是预防其出现问题的关键。轴承的选择是基于轴承额定使用寿命的要求。但在实际的设备中使用中，由于搬运、安装、维护以及润滑过程中的不当操作或疏忽，有很多轴承的实际使用寿命和额定使用寿命相差很大的情况，最终工业中轴承自然失效的比例仅占9%。因此振动检测系统在轴承运行中的使用很有必要。

造成滚动轴承振动的因素有很多，有的与设备有关，有的与制造工艺有关，还有的与轴承装配精度及工作运行状态有关。在运行过程中，滚动轴承机械故障的出现是随机的，随机振动的振幅也是相对增加的，这是因为表面劣化的部位也是随机的。通过对轴承振动的剖析，找出特点，并通过不同的检测分析的方法的研究，从振动信号中获取振源的可靠信息，可以用来进行滚动轴承的故障诊断。

滚动轴承的结构决定了其在恒定载荷下运转时，轴承内的载荷分布呈周期性变化。如滚动体和外圈接触点的变化，使系统的刚度参数形成周期性的变化，而且是一种对称的周期变化，从而使其恢复力呈非线性的特征。由此便产生了与刚度变化周期相应的多阶谐波振动。

2 振动检测技术

振动检测技术是根据待测机器的各项参数在软件中建立数据库，将数据库倒入便携式振动数据采集仪，通过加速度传感器采集数据，然后再导出数据进行分析。将采集到的数据经过带通滤波器，滤掉低频机器振动，得到高频部分的振动；然后再利用包络技术，检测电路将滤出的时域信号进行平方运算（整流），再进行滤波；最后通过快速傅里叶变换将整流滤波后的时域波形转换成频谱，从而判断轴承的损坏部位。

测点选在与轴承座连接刚度较高的地方或箱体上，以尽可能多地获得轴承外圈本身的振动信号为原则，如果需定期巡检，每次测点位置要一致，采集的数据才具有可比性。传感器应尽可能布置在载荷密度大的地方，以获取尽可能大的轴承本身的振动信号。

离线振动频谱采集仪的检测条件：①离线振动频谱采集仪适用于匀速旋转机械设备；②离线振动频谱采集仪所使用的加速度传感器只针对滚动轴承；③滚动轴承振动检测必须提供轴承型号或轴承缺陷频率，对于非标轴承需要提供轴承缺陷频率；④数据采集过程中要求每根轴的转速不低于42 r/min；⑤要求提供数据采集过程中的实际转速。

3 检测及故障分析

3.1 待测机器情况

2019 年1 月18 日，冷轧某条产线张力辊的减速机一轴（输入轴）输入端设备振动较大、伴随异响，现场点检工程师怀疑电机与减速机之间存在轴不对中问题。现场勘查后，收集设备参数，1 月24 日进行现场数据采集。

3.2 数据分析

根据现场提供的机器各项参数建立数据库，现场检测时点检工程师提供带钢运行速度（四轴即低速轴）及辊子直径，计算出一轴转速1221.555 r/min。由减速机的齿数计算出各轴转速（图1）。

3.3 分析频谱

（1）一轴的输入端加速度包络频谱中出现异常冲击谐波且有倍频出现，同时存在转频的边频带，且振动总值较大（图2）。

（2）二 轴、三轴、四轴时域均未出现明显冲击，包络谱中未见明显异常峰值（图2）。

图1 减速机的齿数计算出各轴转速

3.4 高速轴频谱计算

（1）频率计算。转频为20.35 Hz 时，外圈（BPFO）缺陷频率为165.85 Hz；内圈（BPFI）缺陷频率为220.59 Hz；滚动体（BSF）缺陷频率为69.19 Hz；保持架（FTF）缺陷频率为8.73 Hz。

图2 一轴的输入端加速度包络频谱图

（2）读频率。频谱图中一倍频的位置近似于发现轴承外圈的缺陷频率，接近理论计算结果,同时与低频段的特征频率对应，据此判断是轴承外圈出现了问题

（3）读幅值。包络振动总值较大，近似于31.95 gE，据此判断轴承外圈出现了非常严重的问题（图2）。

3.5 建议

怀疑该轴承外圈出现损伤，建议及时准备轴承备件，检修期间进行检查，跟踪振动趋势变化和温度变化，安排定修更换计划，当发现趋势上升较快时，则尽早安排检修更换。

3.6 二次检测

于2019 年2 月12 日进行了二次检测，高速轴（一轴）频谱图见图3。

图3 一轴输入端驱动侧包络频谱图

对比上次的频谱图，发现包络值增大到40.73 gE，说明高速轴轴承故障的发展趋势非常快，设备运行已达到高危险状态，建议立即进行更换。

4 轴承更换

于2019 年2 月14 日检修时进行了更换，减速机开箱后检查，发现轴承外圈已经损坏（图4）。

图4 轴承外圈已经损坏

5 总结

在设备故障诊断中，频谱图对设备运行的状态变化以及故障隐患部件的准确判断，均起到了极其重要的作用。振动诊断技术的引入，不仅避免了过度维修和被动维修，降低了成本，提高了效率，在很大程度上也避免了灾难性事故的发生。