振動和噪聲分析（xī）在滾動軸承故障診斷中的應用

2009-07-15

　　黃勇波
(秦山第三核電有限公司)
　　摘  要：舉例說明，對滾動（dòng）軸承運行中出現的振動和噪聲進行故（gù）障診斷與分析，能有效地解（jiě）決問題。 
　　關鍵詞：滾動軸承；振動噪聲；故障診斷
　　中圖（tú）分類號：TH 133.33　文（wén）獻標識碼：B
　　當振動和噪聲相互（hù）伴隨時，振動和噪聲（shēng）問題常按其中一個來定性，這是因為人們能聽到噪聲及感到振動，但並不是依據它（tā）們的頻率。很少（shǎo）人能聽到（dào）低（dī）頻聲，而高頻（pín）振動人們也（yě）感覺不到。因（yīn）此，低頻是“振（zhèn）動問題”，而（ér）高頻是（shì）“噪聲問題”。根（gēn）據經驗，區分振動和噪聲的適宜界限為1000Hz。換句（jù）話說，認為（wéi）頻率為（wéi）1000Hz以下是振動問題，高於1000Hz為噪聲問題。 
　　一、噪聲分析
　　即使使用了Z先進的製造技術，滾動（dòng）軸承中也存在固有的振動和（hé）噪聲。由（yóu）於這種振動和噪聲並不影（yǐng）響軸承的性能，因此作為正常的軸承特（tè）性而被（bèi）人們所接受。較（jiào）為常見的噪聲如滾（gǔn）道噪聲，它是一種（zhǒng）平滑和連續的聲響，沒有什麽特別的措施來完全消除它，隻能通過提高軸承（chéng）的整體質量和精度可以減小它。其他的聲音均可認為是（shì）異常聲音需（xū）要進行故障分析和（hé）診斷。
　　1．軸（zhóu）承輾軋（zhá）聲分（fèn）析
　　秦（qín）山第（dì）三核電廠1#和2#機組的海（hǎi）水泵房（fáng）中各安裝有兩（liǎng）台循環泵，電機為（wéi）立式電機，功率3040kW。 
　　從2003年開始（shǐ），2台循環泵電機的下軸承就出現了輾軋聲，它不同於正常運行時的滾道（dào）聲音，聽起來（lái）像（xiàng）滾珠（zhū）在金屬上的滑動，為“苛魯、苛魯”的（de）刺（cì）耳金屬聲，用聽診器可以定位噪聲源於電機下軸承。循環泵輾軋聲（shēng）問題曾經（jīng）困擾了一年，每次出現異音後，添加很少量的潤滑脂（從6g到85g）均能使異（yì）音消（xiāo）失。電機軸承座振動值合（hé）格（gé）（0.22～0.45mm/s），通過頻譜分析無異常。舊軸承送瓦房店軸承集團檢測確認無故障。目前狀況良好，但是由於根本原因沒有解決，因此仍然會偶爾出現異音。 
　　軸承異常聲音來源分析：循（xún）環泵電機下軸承為分離型角接（jiē）觸球軸承（chéng）SKFS7234（舊號為6234M），輾軋聲（shēng）發生機（jī）理參見圖1。圖中的徑向負載使電（diàn）機（jī）轉子的不平衡力，由於軸承存在徑向遊隙，在非負載區的滾珠是不受壓力的，但是被保持架推動，所以滾珠在滾道表麵滑動，滑動摩擦而出現異常聲音。所以軸承輾軋聲Z直接的原因是軸承徑向遊（yóu）隙造成（chéng）的。 
　　電機（jī）下軸承（chéng）的（de）結構參見圖2，軸承的外（wài）圈被下方均（jun1）勻分布的彈簧頂住，安（ān）裝後彈簧有預緊壓（yā）縮量。該彈簧使下軸承時刻受到預壓，對軸承微量磨損和軸向位移進行補償。當電機轉子軸受熱伸長下移時，內圈隨（suí）之下移，消除軸（zhóu）承徑向遊隙（xì），在此運行狀態下的軸承是不會發出輾軋聲的。當電機轉子（zǐ）軸（zhóu）相對定子少量軸向（xiàng）收縮（小於0.5mm）時，軸承內圈隨之上移，一般情況下，外圈由於彈簧（huáng）作用（yòng）也隨之上移，軸承仍處於預（yù）緊壓狀態。當外圈與軸承（chéng）座的配合較緊時，由於（yú）存在較大摩擦力（lì），被壓縮的（de）彈簧的彈力不足（zú）以推動軸承外圈上移，此時軸（zhóu）承處於鬆弛的無預壓狀態，所以（yǐ）軸承（chéng）軸向並沒有（yǒu）負載進而產生了徑向遊隙。在運轉過程中無負載區的滾珠被保持（chí）架推動而公轉（zhuǎn）並產生滑動摩擦而發（fā）出聲音，出現異音時電機下軸承溫度下降，從溫（wēn）度上（shàng）可以反映（yìng）出下軸承受到的載荷變小了。當加入較少量的油脂可以（yǐ）暫時填充較小（xiǎo）的遊隙而消除聲音，並不能從根本上解決問題，因為電機轉子相對定子（zǐ）的（de）伸縮是反（fǎn）複的。
　　糾正措施：原設計中（zhōng）的預緊彈簧的目的就是要時（shí）刻消除軸承的遊隙並保持（chí）適當的預壓，所（suǒ）以要考慮到彈簧的推力（lì）要大於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（pèi）合，通過（guò）查（chá）閱（yuè）軸承手冊對於內孔直徑為170mm的軸承（軸承外（wài）圈可作軸向（xiàng）調整），軸承座孔的公差應（yīng）為（wéi）+51μm到0μm。在檢修時應檢（jiǎn）查軸承座孔的公差是否在要求的範圍內，並檢查預緊彈簧的強度，必要時更換。其目的就是使外圈承受一定的軸向負載來消除遊（yóu）隙。
　　2.軸承（chéng）金屬敲擊（jī）聲分析 
　　秦山第三核電廠1#和2#機組的海水泵房中各安裝四台海水泵，電機（jī）為立式電機，功率950k W，轉速596r/min，上軸承為圓錐滾子軸承，型號為SKF30320（舊號（hào）7320），黃銅保持架，滾子數目為12顆。 
　　2005年3月，1#機組4號海水泵電機的上軸承開始出現異常聲音，為（wéi）非常清脆的“叮叮（dīng）”之聲，時（shí）大時小，間歇性，8s左右一次，用聽（tīng）診器能辨別聲音來源於電機上軸承，為金屬敲擊聲。當時懷疑風箱中有鬆（sōng）動部件，在拆除風箱之後，進行帶載試驗，發現異常聲（shēng）音依然存在。在線儀表顯示振動基本穩定在1.5mm/s左右，在噪聲（shēng）較為（wéi）明顯的（de）時候進行了頻譜分析（xī）和對比。出現噪聲時通過振動（dòng）頻譜（pǔ）分析發（fā）現40Hz的頻率較為明顯，無上軸承故障頻率。為了查明（míng）故障原（yuán）因進行了空載試驗，發現無噪聲，振（zhèn）動良（liáng）好，帶載試驗發現噪聲依舊。為了徹底查明故障，請專家進行了診斷，認為定子部件有鬆動。後送電機廠解體修理未發現鬆動部件（jiàn），進行了電機動平（píng）衡試驗，結果正常。更換了電機上軸承。在現場進行空載試（shì）驗，無噪聲，振動（dòng）良好，帶（dài）載後噪聲依舊。電機廠（chǎng）的專家來現場診斷，認為是軸承跑外圈。在（zài）電機運行時，打開軸承蓋目視檢查了軸承外圈，無任何跑外圈的現象。將電機的橡膠墊的壓縮量進行了調整，該電機異（yì）常聲音立（lì）即消失，振動由1.7mm/s立即下降（jiàng）到1mm/s並穩定。異常聲音（yīn）持（chí）續（xù）一個（gè）星期（qī）未出現，後又反複出現（xiàn），調整地腳螺栓無效。 
　　異常聲（shēng）音來源分析：電機上軸承為圓錐滾子軸承，意（yì）味著電機轉子可以向上運動。電機下軸（zhóu）承為深溝槽球軸承，由於下軸承（chéng）安裝（zhuāng）後有lmm的位移量（liàng），這就意味著電機轉（zhuǎn）子在軸向可以移動1mm。電（diàn）機的傳動軸較長，萬（wàn）向節與電機軸相聯接，下端由球麵（miàn）滾子軸承支承（圖3），軸（zhóu）向遊隙為0.2mm。設備運行時，由於存在軸向振（zhèn）動，測量球麵滾子軸承振動發（fā）生的軸向位移（yí）為0.4mm，這樣在振動的（de）Z高位（wèi）置就（jiù）承載了電機轉子的重量而導致電機轉子向上（shàng）運動。上軸承內圈會隨軸（zhóu）上下運動，而外圈（quān）是隨電機定子上下運動（0.1 mm），這樣就會發生達外圈相對（duì）運動而發出金屬（shǔ）敲擊聲音。問題的關鍵是由於現有結構上的原因，長（zhǎng）軸在軸向的補償是通過橡膠（jiāo）墊來調節，而橡膠墊的壓縮量隻有0.1mm，就會出現調（diào）整地腳螺栓無效的情況。 
　　糾正措施（shī）：對此情形主要是要控製電機的安裝位置和上軸承的（de）間隙。用百分表測（cè）量軸的上端麵，用千斤頂把電機軸頂起，百分表調零，放下千斤頂來測量軸承軸向間隙，可以通過（guò）調整軸承背帽來調整上軸承的間隙。按照製造商手冊的要求，調整上軸承的軸向間隙在0.13～0.20mm內，就可以控製轉子向上的跳動高（gāo）度，也降低了輔承的振動。同時通過調整地腳螺栓來控製橡膠墊的壓縮量，使橡膠（jiāo）墊可以緩衝軸向的振動（dòng），使電機上軸承始終處於承載狀態，這樣（yàng）既可以消除異常聲音也可（kě）以降低振動。 
　　二、軸承（chéng）故障振動頻譜分析
　　一（yī）般情況下滾動軸承故障的（de）階段可分為（wéi）4個階段，即軸承剩餘壽（shòu）命的10%～20%、5％～10%、1%～5%、0％～1%。設備運行的（de）現（xiàn）場由於存在各種因（yīn）素的幹擾，由於測量手段等條件的限製，要在前兩個階（jiē）段（duàn）來發現軸承故障是很困難的。而在第三階段比較明顯的特征有：(1)可以聽到（dào）噪聲；(2)溫度略升高；(3)非常（cháng）高的超聲振動尖峰能量，軸承有故障；(4)振動（dòng）加速度總量和振動速度總量大增；(5)在線性刻度頻譜（pǔ）上（shàng）清楚（chǔ）地看出軸承故障（zhàng）頻率及其諧波頻率和邊帶頻率；(6)振動頻譜的噪聲水平明顯提高（gāo）。此時軸承剩餘壽命大於B-10規定的1%，通過振（zhèn）動（dòng）頻譜分析可以在此階段及時發現故障。 
　　秦山第三核電（diàn）廠采用的振動頻譜分析儀，是美國ENTEK公司的DP-1500數字采集（jí）器（qì）和配套分析軟件EMONITOROdyssey Deluxe Software係統。DP-1500數據采集儀的主要功能是電信號數據采（cǎi）集（jí）和頻譜分析，重點用於旋轉機械的振動（dòng）測量，是一種小型、輕便、多功能和智能化的數據采集分析儀。它屬於（yú）精（jīng）密診斷（duàn）儀器，能較好地分（fèn）辨各種設備的振動故障。 
　　1．軸承（chéng）外圈故障診斷與分析
　　1#機組的4號再循環冷卻水泵功（gōng）率為1300kW，額定轉速（sù）740r/min，兩端軸承為油潤滑，采用球麵滾子軸承，型號為SKF22228CCKIW33。對這台非常重（chóng）要的設備進行在線振動幅（fú）值（zhí）監測和溫度監測，設立了（le）振動報警值和溫度報警值。為了及時發現設（shè）備故障和確認報警的真實性，同時也進行了定期的振動頻譜分析。 
　　此水泵自調試結束後運行一年（nián）以來振動幅值和溫度都未出現報警，也未發現明顯的（de）噪聲，但是通過0.36～1000Hz的波段頻譜分析發現有（yǒu）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）頻率以及通過頻率的2倍（圖4），調出軸承數據庫中的（de）故障特征倍率，發現（xiàn）軸承外圈的故（gù）障特征為8.12倍工頻，即101.5Hz。實際上這個頻（pín）率的幅（fú）值不（bú）明顯，而故障頻率的2倍到9倍的（de）諧波頻率比較（jiào）明顯，運行時間快到兩年的時候就有明顯的連續噪聲但溫度正常，通過測量振動，故障頻率的諧波更為明顯。所（suǒ）以決定更換（huàn）軸承和潤（rùn）滑油。檢修更換軸承後振動幅（fú）值減小，振動頻譜正常。
　　故障原因分析：解體後發（fā）現外圈的滾道表麵（miàn）圓周方向上有4cm長度的擦傷（shāng）帶，由於裝配不良造成徑向遊隙過大，導（dǎo）致（zhì）了（le）在運行期間軸承（chéng）的滾子在滾動過程中產生滑動（dòng）而擦傷了外圈的滾道表麵。如果錐形軸套不到位或者鎖緊（jǐn）螺母鬆動，都會造成錐形軸（zhóu）套與軸（zhóu）承內（nèi）圈（quān）配合不良，使（shǐ）軸（zhóu）承安裝（zhuāng）後的遊隙偏（piān）大。
　　糾正措施：更換軸承，按照軸承安（ān）裝要求重新安裝軸承，注意錐形軸套安裝到位，鎖（suǒ）緊螺母到位（wèi）。 
　　2．軸承內（nèi）圈故障診斷與分析
　　2005年（nián）9月，2#機組2號海水泵電機的上（shàng）軸承座振動趨勢有所（suǒ）增加，在線儀表顯示1.5mm/s升高到接近報警值（2.0mm/s），有時會觸發（fā）報警（jǐng）信號，而溫度正常。2.0mm/s的振（zhèn）動值並不高，但變化量卻超過了原來的25%，應進行振動測量和振動分析確認故障原因。在線儀表跟蹤監測表明，從穩定運行時1.0mm/s升高到1.6mm/s的時（shí）間為（wéi）4天。該電機為立式電機，轉速596r/min，功率950kW。上軸（zhóu）承為圓錐滾（gǔn）子軸承，型號為SKF30320（舊號7320），黃銅保持架，滾珠數目為N=12顆。軸承內圈（quān）的故障特征頻率為：BPFIr=0.6Nf=0.6×12×9.9=71.3Hz。
　　采用美國ENTEK公司生產的DP1500及相關軟（ruǎn）件進行頻譜分析，實際測量（liàng）到頻譜中的主要成分有：71Hz、142Hz、213Hz、355.2Hz、426.2Hz、586.3Hz等等（děng），為內圈故（gù）障特征頻率的1、2、3、5、6、7、8倍（圖（tú）5）。
 
 
　　故障原因分（fèn）析：解體後發現軸承內圈確實有（yǒu）故（gù）障，滾道（dào）表麵有10mm×10mm深0.5mm的破（pò）損，可能是鍛造加工中存在微小的（de）缺陷，在運（yùn）行過程中（zhōng）擴大造成的，運行過程中也可以聽到較為規則的金屬撞擊（jī）聲。所采用的糾正措施為更換軸（zhóu）承（chéng）。 
　　三、結論
　　滾動軸承（chéng）振動和噪聲異常的原因主（zhǔ）要是製造和安裝方麵的因素，但是通過振動頻譜分析和噪聲診斷分析等手段，是可以及時發現（xiàn）軸承（chéng）故障和分析出（chū）故障的Z終原因（yīn）的，這為解決問題提供了（le）合理可（kě）行的方向。
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