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振動(dòng)和噪聲分析在滾動(dòng)軸承故障診斷中的應(yīng)用

2009-07-15

　　黃勇波
(秦山第三核電有限公司)
　　摘  要：舉例說(shuō)明，對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)行中出現(xiàn)的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行故障診斷與分析，能有效地解決問(wèn)題。 
　　關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；振動(dòng)噪聲；故障診斷
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TH 133.33　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　當(dāng)振動(dòng)和噪聲相互伴隨時(shí)，振動(dòng)和噪聲問(wèn)題常按其中一個(gè)來(lái)定性，這是因?yàn)槿藗兡苈?tīng)到噪聲及感到振動(dòng)，但并不是依據(jù)它們的頻率。很少人能聽(tīng)到低頻聲，而高頻振動(dòng)人們也感覺(jué)不到。因此，低頻是“振動(dòng)問(wèn)題”，而高頻是“噪聲問(wèn)題”。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，區(qū)分振動(dòng)和噪聲的適宜界限為1000Hz。換句話說(shuō)，認(rèn)為頻率為1000Hz以下是振動(dòng)問(wèn)題，高于1000Hz為噪聲問(wèn)題。 
　　一、噪聲分析
　　即使使用了Z先進(jìn)的制造技術(shù)，滾動(dòng)軸承中也存在固有的振動(dòng)和噪聲。由于這種振動(dòng)和噪聲并不影響軸承的性能，因此作為正常的軸承特性而被人們所接受。較為常見(jiàn)的噪聲如滾道噪聲，它是一種平滑和連續(xù)的聲響，沒(méi)有什么特別的措施來(lái)完全消除它，只能通過(guò)提高軸承的整體質(zhì)量和精度可以減小它。其他的聲音均可認(rèn)為是異常聲音需要進(jìn)行故障分析和診斷。
　　1．軸承輾軋聲分析
　　秦山第三核電廠1#和2#機(jī)組的海水泵房中各安裝有兩臺(tái)循環(huán)泵，電機(jī)為立式電機(jī)，功率3040kW。 
　　從2003年開(kāi)始，2臺(tái)循環(huán)泵電機(jī)的下軸承就出現(xiàn)了輾軋聲，它不同于正常運(yùn)行時(shí)的滾道聲音，聽(tīng)起來(lái)像滾珠在金屬上的滑動(dòng)，為“苛魯、苛魯”的刺耳金屬聲，用聽(tīng)診器可以定位噪聲源于電機(jī)下軸承。循環(huán)泵輾軋聲問(wèn)題曾經(jīng)困擾了一年，每次出現(xiàn)異音后，添加很少量的潤(rùn)滑脂（從6g到85g）均能使異音消失。電機(jī)軸承座振動(dòng)值合格（0.22～0.45mm/s），通過(guò)頻譜分析無(wú)異常。舊軸承送瓦房店軸承集團(tuán)檢測(cè)確認(rèn)無(wú)故障。目前狀況良好，但是由于根本原因沒(méi)有解決，因此仍然會(huì)偶爾出現(xiàn)異音。 
　　軸承異常聲音來(lái)源分析：循環(huán)泵電機(jī)下軸承為分離型角接觸球軸承SKFS7234（舊號(hào)為6234M），輾軋聲發(fā)生機(jī)理參見(jiàn)圖1。圖中的徑向負(fù)載使電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡力，由于軸承存在徑向游隙，在非負(fù)載區(qū)的滾珠是不受壓力的，但是被保持架推動(dòng)，所以滾珠在滾道表面滑動(dòng)，滑動(dòng)摩擦而出現(xiàn)異常聲音。所以軸承輾軋聲Z直接的原因是軸承徑向游隙造成的。 
　　電機(jī)下軸承的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2，軸承的外圈被下方均勻分布的彈簧頂住，安裝后彈簧有預(yù)緊壓縮量。該彈簧使下軸承時(shí)刻受到預(yù)壓，對(duì)軸承微量磨損和軸向位移進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸受熱伸長(zhǎng)下移時(shí)，內(nèi)圈隨之下移，消除軸承徑向游隙，在此運(yùn)行狀態(tài)下的軸承是不會(huì)發(fā)出輾軋聲的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸相對(duì)定子少量軸向收縮（小于0.5mm）時(shí)，軸承內(nèi)圈隨之上移，一般情況下，外圈由于彈簧作用也隨之上移，軸承仍處于預(yù)緊壓狀態(tài)。當(dāng)外圈與軸承座的配合較緊時(shí)，由于存在較大摩擦力，被壓縮的彈簧的彈力不足以推動(dòng)軸承外圈上移，此時(shí)軸承處于松弛的無(wú)預(yù)壓狀態(tài)，所以軸承軸向并沒(méi)有負(fù)載進(jìn)而產(chǎn)生了徑向游隙。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)負(fù)載區(qū)的滾珠被保持架推動(dòng)而公轉(zhuǎn)并產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦而發(fā)出聲音，出現(xiàn)異音時(shí)電機(jī)下軸承溫度下降，從溫度上可以反映出下軸承受到的載荷變小了。當(dāng)加入較少量的油脂可以暫時(shí)填充較小的游隙而消除聲音，并不能從根本上解決問(wèn)題，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的伸縮是反復(fù)的。
　　糾正措施：原設(shè)計(jì)中的預(yù)緊彈簧的目的就是要時(shí)刻消除軸承的游隙并保持適當(dāng)?shù)念A(yù)壓，所以要考慮到彈簧的推力要大于外圈與軸承座之間的摩擦力，因此要注意軸承外圈與軸承座的配合，通過(guò)查閱軸承手冊(cè)對(duì)于內(nèi)孔直徑為170mm的軸承（軸承外圈可作軸向調(diào)整），軸承座孔的公差應(yīng)為+51μm到0μm。在檢修時(shí)應(yīng)檢查軸承座孔的公差是否在要求的范圍內(nèi)，并檢查預(yù)緊彈簧的強(qiáng)度，必要時(shí)更換。其目的就是使外圈承受一定的軸向負(fù)載來(lái)消除游隙。
　　2.軸承金屬敲擊聲分析 
　　秦山第三核電廠1#和2#機(jī)組的海水泵房中各安裝四臺(tái)海水泵，電機(jī)為立式電機(jī)，功率950k W，轉(zhuǎn)速596r/min，上軸承為圓錐滾子軸承，型號(hào)為SKF30320（舊號(hào)7320），黃銅保持架，滾子數(shù)目為12顆。 
　　2005年3月，1#機(jī)組4號(hào)海水泵電機(jī)的上軸承開(kāi)始出現(xiàn)異常聲音，為非常清脆的“叮叮”之聲，時(shí)大時(shí)小，間歇性，8s左右一次，用聽(tīng)診器能辨別聲音來(lái)源于電機(jī)上軸承，為金屬敲擊聲。當(dāng)時(shí)懷疑風(fēng)箱中有松動(dòng)部件，在拆除風(fēng)箱之后，進(jìn)行帶載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)異常聲音依然存在。在線儀表顯示振動(dòng)基本穩(wěn)定在1.5mm/s左右，在噪聲較為明顯的時(shí)候進(jìn)行了頻譜分析和對(duì)比。出現(xiàn)噪聲時(shí)通過(guò)振動(dòng)頻譜分析發(fā)現(xiàn)40Hz的頻率較為明顯，無(wú)上軸承故障頻率。為了查明故障原因進(jìn)行了空載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無(wú)噪聲，振動(dòng)良好，帶載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噪聲依舊。為了徹底查明故障，請(qǐng)專(zhuān)家進(jìn)行了診斷，認(rèn)為定子部件有松動(dòng)。后送電機(jī)廠解體修理未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)部件，進(jìn)行了電機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)，結(jié)果正常。更換了電機(jī)上軸承。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行空載試驗(yàn)，無(wú)噪聲，振動(dòng)良好，帶載后噪聲依舊。電機(jī)廠的專(zhuān)家來(lái)現(xiàn)場(chǎng)診斷，認(rèn)為是軸承跑外圈。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，打開(kāi)軸承蓋目視檢查了軸承外圈，無(wú)任何跑外圈的現(xiàn)象。將電機(jī)的橡膠墊的壓縮量進(jìn)行了調(diào)整，該電機(jī)異常聲音立即消失，振動(dòng)由1.7mm/s立即下降到1mm/s并穩(wěn)定。異常聲音持續(xù)一個(gè)星期未出現(xiàn)，后又反復(fù)出現(xiàn)，調(diào)整地腳螺栓無(wú)效。 
　　異常聲音來(lái)源分析：電機(jī)上軸承為圓錐滾子軸承，意味著電機(jī)轉(zhuǎn)子可以向上運(yùn)動(dòng)。電機(jī)下軸承為深溝槽球軸承，由于下軸承安裝后有l(wèi)mm的位移量，這就意味著電機(jī)轉(zhuǎn)子在軸向可以移動(dòng)1mm。電機(jī)的傳動(dòng)軸較長(zhǎng)，萬(wàn)向節(jié)與電機(jī)軸相聯(lián)接，下端由球面滾子軸承支承（圖3），軸向游隙為0.2mm。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，由于存在軸向振動(dòng)，測(cè)量球面滾子軸承振動(dòng)發(fā)生的軸向位移為0.4mm，這樣在振動(dòng)的Z高位置就承載了電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子向上運(yùn)動(dòng)。上軸承內(nèi)圈會(huì)隨軸上下運(yùn)動(dòng)，而外圈是隨電機(jī)定子上下運(yùn)動(dòng)（0.1 mm），這樣就會(huì)發(fā)生達(dá)外圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)出金屬敲擊聲音。問(wèn)題的關(guān)鍵是由于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上的原因，長(zhǎng)軸在軸向的補(bǔ)償是通過(guò)橡膠墊來(lái)調(diào)節(jié)，而橡膠墊的壓縮量只有0.1mm，就會(huì)出現(xiàn)調(diào)整地腳螺栓無(wú)效的情況。 
　　糾正措施：對(duì)此情形主要是要控制電機(jī)的安裝位置和上軸承的間隙。用百分表測(cè)量軸的上端面，用千斤頂把電機(jī)軸頂起，百分表調(diào)零，放下千斤頂來(lái)測(cè)量軸承軸向間隙，可以通過(guò)調(diào)整軸承背帽來(lái)調(diào)整上軸承的間隙。按照制造商手冊(cè)的要求，調(diào)整上軸承的軸向間隙在0.13～0.20mm內(nèi)，就可以控制轉(zhuǎn)子向上的跳動(dòng)高度，也降低了輔承的振動(dòng)。同時(shí)通過(guò)調(diào)整地腳螺栓來(lái)控制橡膠墊的壓縮量，使橡膠墊可以緩沖軸向的振動(dòng)，使電機(jī)上軸承始終處于承載狀態(tài)，這樣既可以消除異常聲音也可以降低振動(dòng)。 
　　二、軸承故障振動(dòng)頻譜分析
　　一般情況下滾動(dòng)軸承故障的階段可分為4個(gè)階段，即軸承剩余壽命的10%～20%、5％～10%、1%～5%、0％～1%。設(shè)備運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)由于存在各種因素的干擾，由于測(cè)量手段等條件的限制，要在前兩個(gè)階段來(lái)發(fā)現(xiàn)軸承故障是很困難的。而在第三階段比較明顯的特征有：(1)可以聽(tīng)到噪聲；(2)溫度略升高；(3)非常高的超聲振動(dòng)尖峰能量，軸承有故障；(4)振動(dòng)加速度總量和振動(dòng)速度總量大增；(5)在線性刻度頻譜上清楚地看出軸承故障頻率及其諧波頻率和邊帶頻率；(6)振動(dòng)頻譜的噪聲水平明顯提高。此時(shí)軸承剩余壽命大于B-10規(guī)定的1%，通過(guò)振動(dòng)頻譜分析可以在此階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。 
　　秦山第三核電廠采用的振動(dòng)頻譜分析儀，是美國(guó)ENTEK公司的DP-1500數(shù)字采集器和配套分析軟件EMONITOROdyssey Deluxe Software系統(tǒng)。DP-1500數(shù)據(jù)采集儀的主要功能是電信號(hào)數(shù)據(jù)采集和頻譜分析，重點(diǎn)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)量，是一種小型、輕便、多功能和智能化的數(shù)據(jù)采集分析儀。它屬于精密診斷儀器，能較好地分辨各種設(shè)備的振動(dòng)故障。 
　　1．軸承外圈故障診斷與分析
　　1#機(jī)組的4號(hào)再循環(huán)冷卻水泵功率為1300kW，額定轉(zhuǎn)速740r/min，兩端軸承為油潤(rùn)滑，采用球面滾子軸承，型號(hào)為SKF22228CCKIW33。對(duì)這臺(tái)非常重要的設(shè)備進(jìn)行在線振動(dòng)幅值監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)，設(shè)立了振動(dòng)報(bào)警值和溫度報(bào)警值。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和確認(rèn)報(bào)警的真實(shí)性，同時(shí)也進(jìn)行了定期的振動(dòng)頻譜分析。 
　　此水泵自調(diào)試結(jié)束后運(yùn)行一年以來(lái)振動(dòng)幅值和溫度都未出現(xiàn)報(bào)警，也未發(fā)現(xiàn)明顯的噪聲，但是通過(guò)0.36～1000Hz的波段頻譜分析發(fā)現(xiàn)有12.5Hz，75Hz，150Hz，203.3Hz，304.8Hz，406.8Hz，508Hz，609.6Hz，711.9Hz，813.2Hz，915.2Hz，其中12.5Hz，75Hz，150Hz分別為1倍頻和葉片通過(guò)頻率以及通過(guò)頻率的2倍（圖4），調(diào)出軸承數(shù)據(jù)庫(kù)中的故障特征倍率，發(fā)現(xiàn)軸承外圈的故障特征為8.12倍工頻，即101.5Hz。實(shí)際上這個(gè)頻率的幅值不明顯，而故障頻率的2倍到9倍的諧波頻率比較明顯，運(yùn)行時(shí)間快到兩年的時(shí)候就有明顯的連續(xù)噪聲但溫度正常，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)，故障頻率的諧波更為明顯。所以決定更換軸承和潤(rùn)滑油。檢修更換軸承后振動(dòng)幅值減小，振動(dòng)頻譜正常。
　　故障原因分析：解體后發(fā)現(xiàn)外圈的滾道表面圓周方向上有4cm長(zhǎng)度的擦傷帶，由于裝配不良造成徑向游隙過(guò)大，導(dǎo)致了在運(yùn)行期間軸承的滾子在滾動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生滑動(dòng)而擦傷了外圈的滾道表面。如果錐形軸套不到位或者鎖緊螺母松動(dòng)，都會(huì)造成錐形軸套與軸承內(nèi)圈配合不良，使軸承安裝后的游隙偏大。
　　糾正措施：更換軸承，按照軸承安裝要求重新安裝軸承，注意錐形軸套安裝到位，鎖緊螺母到位。 
　　2．軸承內(nèi)圈故障診斷與分析
　　2005年9月，2#機(jī)組2號(hào)海水泵電機(jī)的上軸承座振動(dòng)趨勢(shì)有所增加，在線儀表顯示1.5mm/s升高到接近報(bào)警值（2.0mm/s），有時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，而溫度正常。2.0mm/s的振動(dòng)值并不高，但變化量卻超過(guò)了原來(lái)的25%，應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量和振動(dòng)分析確認(rèn)故障原因。在線儀表跟蹤監(jiān)測(cè)表明，從穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)1.0mm/s升高到1.6mm/s的時(shí)間為4天。該電機(jī)為立式電機(jī)，轉(zhuǎn)速596r/min，功率950kW。上軸承為圓錐滾子軸承，型號(hào)為SKF30320（舊號(hào)7320），黃銅保持架，滾珠數(shù)目為N=12顆。軸承內(nèi)圈的故障特征頻率為：BPFIr=0.6Nf=0.6×12×9.9=71.3Hz。
　　采用美國(guó)ENTEK公司生產(chǎn)的DP1500及相關(guān)軟件進(jìn)行頻譜分析，實(shí)際測(cè)量到頻譜中的主要成分有：71Hz、142Hz、213Hz、355.2Hz、426.2Hz、586.3Hz等等，為內(nèi)圈故障特征頻率的1、2、3、5、6、7、8倍（圖5）。
 
 
　　故障原因分析：解體后發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈確實(shí)有故障，滾道表面有10mm×10mm深0.5mm的破損，可能是鍛造加工中存在微小的缺陷，在運(yùn)行過(guò)程中擴(kuò)大造成的，運(yùn)行過(guò)程中也可以聽(tīng)到較為規(guī)則的金屬撞擊聲。所采用的糾正措施為更換軸承。 
　　三、結(jié)論
　　滾動(dòng)軸承振動(dòng)和噪聲異常的原因主要是制造和安裝方面的因素，但是通過(guò)振動(dòng)頻譜分析和噪聲診斷分析等手段，是可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承故障和分析出故障的Z終原因的，這為解決問(wèn)題提供了合理可行的方向。