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振動和噪聲分析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，對滾動軸承運行中出現的振動和噪聲進行故障診斷與分析，能有效地解決問題。
　　關鍵詞：滾動軸承；振動噪聲；故障診斷
　　中圖分類號：TH 133.33　文獻標識碼：B
　　當振動和噪聲相互伴隨時，振動和噪聲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，但并不是依據它們的頻率。很少人能聽到低頻聲，而高頻振動人們也感覺不到。因此，低頻是“振動問題”，而高頻是“噪聲問題”。根據經驗，區分振動和噪聲的適宜界限為1000Hz。換句話說，認為頻率為1000Hz以下是振動問題，高于1000Hz為噪聲問題。
　　一、噪聲分析
　　即使使用了Z先進的制造技術，滾動軸承中也存在固有的振動和噪聲。由于這種振動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。較為常見的噪聲如滾道噪聲，它是一種平滑和連續的聲響，沒有什么特別的措施來完全消除它，只能通過提高軸承的整體質量和精度可以減小它。其他的聲音均可認為是異常聲音需要進行故障分析和診斷。
　　1．軸承輾軋聲分析
　　秦山第三核電廠1#和2#機組的海水泵房中各安裝有兩臺循環泵，電機為立式電機，功率3040kW。
　　從2003年開始，2臺循環泵電機的下軸承就出現了輾軋聲，它不同于正常運行時的滾道聲音，聽起來像滾珠在金屬上的滑動，為“苛魯、苛魯”的刺耳金屬聲，用聽診器可以定位噪聲源于電機下軸承。循環泵輾軋聲問題曾經困擾了一年，每次出現異音后，添加很少量的潤滑脂（從6g到85g）均能使異音消失。電機軸承座振動值合格（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，但是由于根本原因沒有解決，因此仍然會偶爾出現異音。
　　軸承異常聲音來源分析：循環泵電機下軸承為分離型角接觸球軸承SKFS7234（舊號為6234M），輾軋聲發生機理參見圖1。圖中的徑向負載使電機轉子的不平衡力，由于軸承存在徑向游隙，在非負載區的滾珠是不受壓力的，但是被保持架推動，所以滾珠在滾道表面滑動，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游隙造成的。

　　電機下軸承的結構參見圖2，軸承的外圈被下方均勻分布的彈簧頂住，安裝后彈簧有預緊壓縮量。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，內圈隨之下移，消除軸承徑向游隙，在此運行狀態下的軸承是不會發出輾軋聲的。當電機轉子軸相對定子少量軸向收縮（小于0.5mm）時，軸承內圈隨之上移，一般情況下，外圈由于彈簧作用也隨之上移，軸承仍處于預緊壓狀態。當外圈與軸承座的配合較緊時，由于存在較大摩擦力，被壓縮的彈簧的彈力不足以推動軸承外圈上移，此時軸承處于松弛的無預壓狀態，所以軸承軸向并沒有負載進而產生了徑向游隙。在運轉過程中無負載區的滾珠被保持架推動而公轉并產生滑動摩擦而發出聲音，出現異音時電機下軸承溫度下降，從溫度上可以反映出下軸承受到的載荷變小了。當加入較少量的油脂可以暫時填充較小的游隙而消除聲音，并不能從根本上解決問題，因為電機轉子相對定子的伸縮是反復的。

　　糾正措施：原設計中的預緊彈簧的目的就是要時刻消除軸承的游隙并保持適當的預壓，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，通過查閱軸承手冊對于內孔直徑為170mm的軸承（軸承外圈可作軸向調整），軸承座孔的公差應為+51μm到0μm。在檢修時應檢查軸承座孔的公差是否在要求的范圍內，并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游隙。
　　2.軸承金屬敲擊聲分析
　　秦山第三核電廠1#和2#機組的海水泵房中各安裝四臺海水泵，電機為立式電機，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，為非常清脆的“叮叮”之聲，時大時小，間歇性，8s左右一次，用聽診器能辨別聲音來源于電機上軸承，為金屬敲擊聲。當時懷疑風箱中有松動部件，在拆除風箱之后，進行帶載試驗，發現異常聲音依然存在。在線儀表顯示振動基本穩定在1.5mm/s左右，在噪聲較為明顯的時候進行了頻譜分析和對比。出現噪聲時通過振動頻譜分析發現40Hz的頻率較為明顯，無上軸承故障頻率。為了查明故障原因進行了空載試驗，發現無噪聲，振動良好，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，認為定子部件有松動。后送電機廠解體修理未發現松動部件，進行了電機動平衡試驗，結果正常。更換了電機上軸承。在現場進行空載試驗，無噪聲，振動良好，帶載后噪聲依舊。電機廠的專家來現場診斷，認為是軸承跑外圈。在電機運行時，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，該電機異常聲音立即消失，振動由1.7mm/s立即下降到1mm/s并穩定。異常聲音持續一個星期未出現，后又反復出現，調整地腳螺栓無效。
　　異常聲音來源分析：電機上軸承為圓錐滾子軸承，意味著電機轉子可以向上運動。電機下軸承為深溝槽球軸承，由于下軸承安裝后有lmm的位移量，這就意味著電機轉子在軸向可以移動1mm。電機的傳動軸較長，萬向節與電機軸相聯接，下端由球面滾子軸承支承（圖3），軸向游隙為0.2mm。設備運行時，由于存在軸向振動，測量球面滾子軸承振動發生的軸向位移為0.4mm，這樣在振動的Z高位置就承載了電機轉子的重量而導致電機轉子向上運動。上軸承內圈會隨軸上下運動，而外圈是隨電機定子上下運動（0.1 mm），這樣就會發生達外圈相對運動而發出金屬敲擊聲音。問題的關鍵是由于現有結構上的原因，長軸在軸向的補償是通過橡膠墊來調節，而橡膠墊的壓縮量只有0.1mm，就會出現調整地腳螺栓無效的情況。

　　糾正措施：對此情形主要是要控制電機的安裝位置和上軸承的間隙。用百分表測量軸的上端面，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，可以通過調整軸承背帽來調整上軸承的間隙。按照制造商手冊的要求，調整上軸承的軸向間隙在0.13～0.20mm內，就可以控制轉子向上的跳動高度，也降低了輔承的振動。同時通過調整地腳螺栓來控制橡膠墊的壓縮量，使橡膠墊可以緩沖軸向的振動，使電機上軸承始終處于承載狀態，這樣既可以消除異常聲音也可以降低振動。
　　二、軸承故障振動頻譜分析
　　一般情況下滾動軸承故障的階段可分為4個階段，即軸承剩余壽命的10%～20%、5％～10%、1%～5%、0％～1%。設備運行的現場由于存在各種因素的干擾，由于測量手段等條件的限制，要在前兩個階段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)可以聽到噪聲；(2)溫度略升高；(3)非常高的超聲振動尖峰能量，軸承有故障；(4)振動加速度總量和振動速度總量大增；(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)振動頻譜的噪聲水平明顯提高。此時軸承剩余壽命大于B-10規定的1%，通過振動頻譜分析可以在此階段及時發現故障。
　　秦山第三核電廠采用的振動頻譜分析儀，是美國ENTEK公司的DP-1500數字采集器和配套分析軟件EMONITOROdyssey Deluxe Software系統。DP-1500數據采集儀的主要功能是電信號數據采集和頻譜分析，重點用于旋轉機械的振動測量，是一種小型、輕便、多功能和智能化的數據采集分析儀。它屬于精密診斷儀器，能較好地分辨各種設備的振動故障。
　　1．軸承外圈故障診斷與分析
　　1#機組的4號再循環冷卻水泵功率為1300kW，額定轉速740r/min，兩端軸承為油潤滑，采用球面滾子軸承，型號為SKF22228CCKIW33。對這臺非常重要的設備進行在線振動幅值監測和溫度監測，設立了振動報警值和溫度報警值。為了及時發現設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。
　　此水泵自調試結束后運行一年以來振動幅值和溫度都未出現報警，也未發現明顯的噪聲，但是通過0.36～1000Hz的波段頻譜分析發現有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倍頻和葉片通過頻率以及通過頻率的2倍（圖4），調出軸承數據庫中的故障特征倍率，發現軸承外圈的故障特征為8.12倍工頻，即101.5Hz。實際上這個頻率的幅值不明顯，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。所以決定更換軸承和潤滑油。檢修更換軸承后振動幅值減小，振動頻譜正常。

　　故障原因分析：解體后發現外圈的滾道表面圓周方向上有4cm長度的擦傷帶，由于裝配不良造成徑向游隙過大，導致了在運行期間軸承的滾子在滾動過程中產生滑動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，都會造成錐形軸套與軸承內圈配合不良，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．軸承內圈故障診斷與分析
　　2005年9月，2#機組2號海水泵電機的上軸承座振動趨勢有所增加，在線儀表顯示1.5mm/s升高到接近報警值（2.0mm/s），有時會觸發報警信號，而溫度正常。2.0mm/s的振動值并不高，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的時間為4天。該電機為立式電機，轉速596r/min，功率950kW。上軸承為圓錐滾子軸承，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及相關軟件進行頻譜分析，實際測量到頻譜中的主要成分有：71Hz、142Hz、213Hz、355.2Hz、426.2Hz、586.3Hz等等，為內圈故障特征頻率的1、2、3、5、6、7、8倍（圖5）。

　　故障原因分析：解體后發現軸承內圈確實有故障，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，在運行過程中擴大造成的，運行過程中也可以聽到較為規則的金屬撞擊聲。所采用的糾正措施為更換軸承。
　　三、結論
　　滾動軸承振動和噪聲異常的原因主要是制造和安裝方面的因素，但是通過振動頻譜分析和噪聲診斷分析等手段，是可以及時發現軸承故障和分析出故障的Z終原因的，這為解決問題提供了合理可行的方向。

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