高频包络谱分析技术在滚动轴承故障诊断中的应用

张 丰

(锦州石化公司设备研究所，辽宁 锦州 121001)

在状态监测技术中，高频包络(HFE)是一种非常有价值的分析工具，故障诊断分析人员可以运用这种技术发现大量潜在的故障现象，如果仅用振动频谱和时域波形分析可能会忽略这些故障，尤其是在故障的早期阶段。因此，高频包络谱分析技术越来越受到重视。很多振动分析仪厂商都提供这种技术，虽然各自的名称不同，例如罗克韦尔(Rockwell)称其为振动尖峰能量(gSE),而斯凯孚(SKF)则称之为加速度包络(gE)，但其理论基础都是高频包络技术。

一、技术原理

高频包络(High Frequency Enveloping)主要用来分析与冲击或脉冲有关的故障，因此需要通过滤波器来滤掉这些较低频率的信号，再进行信号的FFT分析，以常见的幅值与频率的FFT格式显示结果。简单的说，就是通过滤波保留脉冲、冲击产生的振动信号，这种处理已消除了与正常的旋转振动有关的频率。冲击引起的信号由加速度传感器测量，并且由独特的过滤和检波电路加以处理。

以罗克韦尔的振动尖峰能量(gSE)为例，振动信号由一加速度传感器测量，由一频带滤波器进行过滤。有6个可选择的高通频率(低频界限)，100Hz、200Hz、500Hz、1 kHz、2kHz和5kHz。低通频率(高频界限)为65kHz，这是振动尖峰能量频率范围的上限。将筛选的信号通过1个峰峰值检波器，该检波器不仅保持信号的峰峰值而且选用预定的采用时间间隔，这直接确定了冲击能量谱的最大频率(Fmax)。峰峰值检波器的输出信号是锯齿形信号波形。对这一锯齿形信号做近一步处理，可得到冲击能量的通频幅值和振动尖峰能量谱。由此可见，振动尖峰能量技术是包络技术的应用，它的作用原理和无线电广播中从载频信号中提出音频信号很相似，它是从正常振动信号中提取出轴承发生故障时产生的冲击振动信号。这一冲击信号就是辨认滚动轴承故障的关键信息，其中包含着滚动轴承的四个故障特征频率成分，据此就可以判断滚动轴承是否存在故障及损坏部位。

二、滚动轴承四种故障频率

1.滚动轴承故障频率计算方法

当轴承外环固定不旋转时，其计算公式见式(1)～式(4)。

式中：N——轴的转速；

d——滚动体直径；

D——滚动体中心圆直径；

φ——接触角；

n——滚动体数目；

r/min——机组转速频率。

2.滚动轴承故障频率之间的关系

(1)轴承内外环故障频率的和等于“轴承滚动体通过频率”，即BPFO+BPFI=n·N。

(2)外环故障频率等于“轴承滚动体对保持架的通过频率”，即BPFO=n·FTF。

3.高频包络(HFE)故障诊断经验

(1)高频包络谱对使用的振动加速度传感器非常敏感，必须使用相同的传感器并采用同一种固定方式，否则测量结果变化很大。

(2)高频包络谱的变化趋势对诊断故障非常重要，并且低阶故障频率的趋势比同一频率的高次谐波频率变化趋势更加精确。

(3)润滑不良、金属间接触或轴承承受不当的负载，也会出现轴承的故障频率。

(4)轴承故障在故障发展到滚动体和保持架之前，先在轴承的外环或内环上发生，因此，通常首先出现轴承外环和内环故障频率。此后，保持架故障频率不是以基频出现，而是以边带形式或边带差频形式出现在轴承外环或内环故障频率两侧。

(5)当发生较为严重的轴承故障时，轴承外环或内环故障频率两侧会被1×转速频率边带族环绕。当出现轴承故障频率的谐波频率且其两侧伴有1×转速频率边带，则指示更为严重的损坏，应尽快更换该轴承。

三、诊断滚动轴承故障的案例

1.机组概况

某厂重整车间贫溶剂泵为2级离心泵，型号为GHY100-100×2，输送介质环丁砜，入口压力0.1MPa，出口压力1.5MPa，流量100m3/h，功率为80kW，转速2970r/min，泵内侧靠联轴节处轴承型号为6213，外侧轴承型号为7313×2（背靠背安装），图1为机组测点布置示意图，监测仪器为Entek DP1500。频谱图如图2和图3所示。从表1的振动烈度分析，泵运行正常。分析振动频谱图，可发现有2、3和6倍的谐频存在，但幅值不大，无特殊故障频率出现。但振动尖峰能量及其频谱图(表2、图2至图5)可看到：

图1 贫溶剂泵测点布置示意图

(1)两个位置的振动尖峰能量频谱都出现了轴承外圈故障频谱的峰值，且联轴节侧的频谱图中还包含外圈故障频谱的半频及其谐频。

(2)从振动尖峰能量幅值上看，联轴节侧的峰值能量远远大于外侧(4倍左右)。

(3)对比2日和8日的监测数据，振动尖峰能量幅值呈现明显的增长趋势。

综上所述：泵两侧轴承均有外圈磨损的早期征兆，联轴节侧较为严重，为此建议车间对泵联轴节侧的轴承进行更换，外侧轴承可根据实际情况酌情处理。

四、检修情况反馈

表1 贫溶剂泵振动烈度

表2 贫溶剂泵振动尖峰能量

图2 泵外侧水平方向频谱图

图3 泵联轴节侧水平方向频谱图

图4 振动尖峰能量频谱图

图5 泵联轴节侧振动尖峰能量频谱图

2.振动分析及故障诊断

2010年2月2日，监测人员发现贫溶剂泵振动异常，2月8日再次对该泵进行监测，异常更加明显，振动烈度见表1，

2月10日车间对泵进行检修，更换了联轴节侧轴承，外侧没有更换。2月11日，检修后的泵开机，从检修前后的振动尖峰能量及频谱图的对比看，诊断结果正确。

五、结语

在对滚动轴承进行故障诊断时，在观察振动烈度的同时要关注其峰值能量的发展趋势，可以在轴承故障的早期阶段做出判断。本文所述诊断实例就为检修单位提供了准确的维修建议，实现了预知性计划检修，避免非计划检修或过度检修，有效降低检修成本，提高了转动设备的管理水平。

[1]张铁新，峰值能量技术原理及其应用[J].电机技术，2010(03).

[2]施连勇.峰值能量技术在诊断轴承故障中的应用[J].化工机械，2004(03).

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