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用综合诊断技术对高速电机轴承进行状态监测
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 夏放 刘仁德 王正友 韦天爽点击:
摘 要： 当前对旋转设备进行状态监测的手段，使用比较普遍的方法主要有振动分析和油液分析。但许多情况下，使用单一的分析手段很难确诊故障发生的部位和故障的严重程度，这时候最有效的手段就是综合利用多种分析技术来对其进行监测。文章通过振动和磨损分析的综合诊断，准确预报了高炉脱硅除尘风机的电机存在的故障，进一步说明综合诊断的必要性。
关键词： 振动分析 光谱分析 铁谱技术 滚动轴承 状态监测
冶金工业中，大量使用各种设备装置，其生产能力在很大程度上依赖于设备能力。如果能够减少设备故障，将设备开工率提高10％，就等于在不进行设备投资的情况下提高了10％的生产能力，因此，提高各种设备的可靠性对实现设备的连续运转已经变得不可缺少了。此外，通过提高和稳定质量以及延长设备的使用寿命，以实现减少维修成本的要求越来越高。
设备维修体制经历了事后维修、以时间为基准的维修（Time Based Maintenance简称TBM）和以状态为基准的维修（Condition Based Maintenance简称CBM）三个阶段。TBM由于是无条件的定期维修，因而存在过度维修的问题，会造成不必要的浪费。而CBM是通过诊断设备状态，根据诊断结果实施设备维修，是最佳的维修方法。CBM能够有效实施的前提条件就是对设备状态的诊断结果要准确可靠。当前进行状态监测的手段，使用比较普遍的方法主要有振动分析和油液分析。振动分析是通过对振动信号的处理来判断设备的磨损状态，它能诊断出故障的类型和部位，但受工况条件的影响比较大。油液分析则是利用光谱和铁谱分析技术对润滑剂中磨损颗粒进行定量和定性分析，从而诊断出故障的类型和部位，它的分析结果受工况条件的影响较小，主要适用于低速、重载且故障发展比较缓慢的设备。但多数情况下，使用单一的分析手段很难确诊故障发生的部位和故障的严重程度，这时候最有效的手段就在于综合利用多种分析技术来对其进行监测。
脱硅除尘风机是高速旋转设备，属炼钢生产线上的重要设备，倘若发生故障，将直接影响到高炉的正常运行，并将造成巨大的经济损失，因此把握电机轴承的工作状态有着重要的意义。自2001年1月该设备纳入受控监测以来，该机组的振动值一直处于比较稳定状态。2002年10月22日，振动测试分析表明电机两侧轴承的振动值有增大现象，怀疑轴承有异常磨损出现。由于机组中风机、联轴节和电机之间的异常振动有传递性，三者之间有可能相互影响，因此，为进一步确认发生故障的部位及轴承的磨损程度，还对电机两侧轴承的润滑脂取样进行光谱和铁谱分析。关于润滑脂的光谱和铁谱分析方法，可以参考有关文献[1～5]，在此不再赘述。
1 基本参数
轴承型号：电机负荷侧：SKF NU234 EcMa/C3；电机自由侧：SKF NU23OEC3。
轴承材质：轴承内、外圈：轴承钢，其合金元素以铬（Cr）和锰（Mn）为主。滚动体：高铬合金钢，硬度HRC60-64。保持架：黄铜。
润滑方式：电机两侧轴承的润滑均采用2＃极压锂基脂进行润滑。
试验仪器：振动测试所用仪器为：日本生产的MCV－021测振仪，SONY PC208AX 磁带机，CF－920频谱分析仪。磨损测试采用仪器为：美国Standard Oil公司生产的双联分析式铁谱仪、Predict 公司生产的RPD旋转式铁谱仪和日本Olympus BX60铁谱显微镜。
取样状态说明：脱硅除尘风机示意图如图1所示。图中1、2为滚动轴承，3、4为滑动轴承。在对电机轴承润滑脂取样前，先将出油孔外部已被污染了的润滑脂去除，再通过添加新润滑脂将轴承内润滑脂挤出的方式采集油样，取样量约100克左右。
外圈：7.66667×f电机
内圈：10.3333×f电机
滚柱：3.30093×f电机
保持架：0.425926×f电机
其中f电机为电机转速频率。
2 结果与讨论
2.1 振动分析
该设备自纳入受控监测以来，其振动值一直处于比较稳定的状态，电机两侧轴承座上振动速度平均值一般在0.5 mm·s-1左右，振动加速度一般在1.0 m·s-2以下。2002年10月22日，振动测试分析表明电机负荷侧轴承的振动值有增大现象（见表1），尤其是垂直和水平方向的振动加速度和轴承冲击值增加明显，怀疑轴承有异常磨损出现。于是在11月5日再次对其进行了跟踪监测。
2.1.1 振动值分析
将设备正常状态（2002年8月8日）下与异常状态（2002年11月5日）下振动值进行比较，可以发现：
振动速度值：电机负荷侧轴承座上除了轴间振动增加外，其水平和垂直方向的振动值基本相当。
振动加速度值：电机负荷侧轴承座上各测点方向上的振动加速度值都有不同程度的增大，其中垂直方向振动加速度值平均值从0.40 m·s-2增大到5.19 m·s-2，为原来的13.0倍，峰值则由1.9提高到34.6，增加了17.2倍，而水平方向上的加速度平均值和峰值则分别增加了7.7倍和8.2倍，轴向的加速度平均值和峰值则分别增加了1.9倍和1.8倍。
再将10月22日的分析数据与11月5日的数据进行比较可以发现，垂直方向的振动加速度值由2.80 m·s-2提高到5.19 m·s-2，而轴承冲击值则由1.89增大到4.98，分别增加了0.9倍和1.6倍，而水平方向上的振动加速度值和轴承冲击值则分别增加了0.4倍和2.1倍，说明异常磨损的发展相当快。
以上分析表明，虽然从振动速度值上较难发现故障的存在，但从轴承冲击值和振动加速度的变化可以清楚地发现该轴承有异常磨损出现。
2.1.2振动信号分析
下面就电机负荷侧轴承座的轴向振动速度的频谱信号进行分析。由图2可知：
在时域上，存在较明显的周期冲击，间隔为Δt＝133.5 ms和Δt＝60.5 ms,即为Δf=7.5Hz和Δf=16.53Hz，其中f=7.5Hz是轴承保持架的故障频率，而f=16.53Hz则是电机的转速频率。
在频域上，由f=7.5Hz及谐频，f=128.75Hz为主频，边频Δf=7.5Hz所组成。其中f=128.75Hz为轴承外圈故障频率。频谱上还存在f=158.75Hz，它是f=128.75Hz与4×7.5Hz边频之和。
以上分析表明，轴承保持架存在较明显的异常磨损，轴承外圈也有异常磨损迹象。
2.2 磨损分析
首先通过往润滑脂中添加特殊溶剂的方式将其预处理成液体状溶液，然后就可以借鉴润滑油的光谱和铁谱分析方法对其进行定量和定性分析了。
2.2.1 光谱分析
由轴承的材质可知润滑脂中的磨损金属成分主要为铁和铜元素，故在此主要考虑这两种元素在润滑脂中的含量。由表2可知，负荷侧轴承的润滑脂中主要含有铜元素，其含量是自由侧轴承润滑脂的14.0倍，它来源于轴承保持架的磨损；铁元素浓度是自由侧的3.1倍。由此可以判断异常磨损来源于电机的负荷侧轴承。
样点 Fe Cu
负荷侧轴承 656 2281
自由侧轴承 212 163
2.2.2 铁谱分析
负荷侧轴承的铁谱分析显示润滑脂中存在大量大尺寸的铜合金磨粒，最大尺寸在200微米以上，其它大尺寸有140×80、100×60、80×60微米等，其种类有片状、块状、严重滑动磨粒（见图3）。此外还存在较多铁磁性磨粒，种类有正常滑动磨粒、片状、切削状、球状磨粒等，其中片状磨粒的尺寸有100×60、80×30、60×40微米等；切削状磨粒的最大尺寸有120×3微米（见图4）。
据此得出诊断结果：负荷侧轴承存在较严重异常磨损，故障的主要来源在于轴承保持架的磨损。
2.3 诊断结论及建议
综合以上振动和磨损的分析结果，可以得出如下结论：电机负荷侧轴承存在明显异常磨损，其中保持架的磨损相当严重，且异常磨损发展快。据此建议生产厂立即停机检修轴承。
2.4 检修结果
11月7日，生产厂对其进行拆检，发现电机负荷侧轴承的保持架则沿轴向两端面均被磨掉2-4 mm的深度，留下一明显的台阶，而轴承的内圈和外圈上均存在明显的条状压痕，滚柱上的磨痕也非常明显。
更换电机两侧轴承后，再次对电机单体运行时的情况进行了测试，与前面所测数据相比，其振动值明显下降。其后的几次分析同样表明，该机组的振动已经恢复到正常水平。
3 结束语
通过振动、磨损等多种分析方法的综合应用，我们及时预报了高炉脱硅除尘风机的电机轴承存在的故障，尤其在对轴承故障的准确定位方面，对检修起到了十分重要的指导作用，为尽快排除故障并迅速恢复生产起了至关重要的作用，诊断的意义就此体现出来。
总之，多种分析方法的综合应用对提高故障诊断的准确率并最终确保机械设备的正常运行是非常必要的，这将是今后故障诊断的发展方向。
参 考文 献
1 D.P.安德森编, 金元生、杨其明译. 磨粒图谱.北京:机械工业出版社, 1987: 79-81
2 萧汉梁. 铁谱技术及其在机械监测诊断中的应用.北京:人民交通出版社,1993,202-206
3 陈兵奎等. 润滑脂铁谱分析. 润滑与密封.1998（4）:33
4 刘仁德等. 润滑脂铁谱分析的研究与应用. 润滑与密封. 2002（5）:65-66
5 刘仁德等. 铁谱技术在脂润滑滚动轴承的状态监测中的应用. 中国机械工程学会摩擦学分会润滑技术专业委员会第八届学术年会（厦门）论文集. 2002: 142-145
6 陶德华等. 利用光谱和铁谱分析技术对脂润滑滚动轴承进行状态监测. 第十一届全国设备监测与诊断学术会议论文集. 2002年10月, 无锡, 327~329(end)
关键词： 振动分析 光谱分析 铁谱技术 滚动轴承 状态监测
冶金工业中，大量使用各种设备装置，其生产能力在很大程度上依赖于设备能力。如果能够减少设备故障，将设备开工率提高10％，就等于在不进行设备投资的情况下提高了10％的生产能力，因此，提高各种设备的可靠性对实现设备的连续运转已经变得不可缺少了。此外，通过提高和稳定质量以及延长设备的使用寿命，以实现减少维修成本的要求越来越高。
设备维修体制经历了事后维修、以时间为基准的维修（Time Based Maintenance简称TBM）和以状态为基准的维修（Condition Based Maintenance简称CBM）三个阶段。TBM由于是无条件的定期维修，因而存在过度维修的问题，会造成不必要的浪费。而CBM是通过诊断设备状态，根据诊断结果实施设备维修，是最佳的维修方法。CBM能够有效实施的前提条件就是对设备状态的诊断结果要准确可靠。当前进行状态监测的手段，使用比较普遍的方法主要有振动分析和油液分析。振动分析是通过对振动信号的处理来判断设备的磨损状态，它能诊断出故障的类型和部位，但受工况条件的影响比较大。油液分析则是利用光谱和铁谱分析技术对润滑剂中磨损颗粒进行定量和定性分析，从而诊断出故障的类型和部位，它的分析结果受工况条件的影响较小，主要适用于低速、重载且故障发展比较缓慢的设备。但多数情况下，使用单一的分析手段很难确诊故障发生的部位和故障的严重程度，这时候最有效的手段就在于综合利用多种分析技术来对其进行监测。
脱硅除尘风机是高速旋转设备，属炼钢生产线上的重要设备，倘若发生故障，将直接影响到高炉的正常运行，并将造成巨大的经济损失，因此把握电机轴承的工作状态有着重要的意义。自2001年1月该设备纳入受控监测以来，该机组的振动值一直处于比较稳定状态。2002年10月22日，振动测试分析表明电机两侧轴承的振动值有增大现象，怀疑轴承有异常磨损出现。由于机组中风机、联轴节和电机之间的异常振动有传递性，三者之间有可能相互影响，因此，为进一步确认发生故障的部位及轴承的磨损程度，还对电机两侧轴承的润滑脂取样进行光谱和铁谱分析。关于润滑脂的光谱和铁谱分析方法，可以参考有关文献[1～5]，在此不再赘述。
1 基本参数
轴承型号：电机负荷侧：SKF NU234 EcMa/C3；电机自由侧：SKF NU23OEC3。
轴承材质：轴承内、外圈：轴承钢，其合金元素以铬（Cr）和锰（Mn）为主。滚动体：高铬合金钢，硬度HRC60-64。保持架：黄铜。
润滑方式：电机两侧轴承的润滑均采用2＃极压锂基脂进行润滑。
试验仪器：振动测试所用仪器为：日本生产的MCV－021测振仪，SONY PC208AX 磁带机，CF－920频谱分析仪。磨损测试采用仪器为：美国Standard Oil公司生产的双联分析式铁谱仪、Predict 公司生产的RPD旋转式铁谱仪和日本Olympus BX60铁谱显微镜。
取样状态说明：脱硅除尘风机示意图如图1所示。图中1、2为滚动轴承，3、4为滑动轴承。在对电机轴承润滑脂取样前，先将出油孔外部已被污染了的润滑脂去除，再通过添加新润滑脂将轴承内润滑脂挤出的方式采集油样，取样量约100克左右。
图1 脱硅除尘风机示意图
外圈：7.66667×f电机
内圈：10.3333×f电机
滚柱：3.30093×f电机
保持架：0.425926×f电机
其中f电机为电机转速频率。
2 结果与讨论
2.1 振动分析
该设备自纳入受控监测以来，其振动值一直处于比较稳定的状态，电机两侧轴承座上振动速度平均值一般在0.5 mm·s-1左右，振动加速度一般在1.0 m·s-2以下。2002年10月22日，振动测试分析表明电机负荷侧轴承的振动值有增大现象（见表1），尤其是垂直和水平方向的振动加速度和轴承冲击值增加明显，怀疑轴承有异常磨损出现。于是在11月5日再次对其进行了跟踪监测。
2.1.1 振动值分析
将设备正常状态（2002年8月8日）下与异常状态（2002年11月5日）下振动值进行比较，可以发现：
振动速度值：电机负荷侧轴承座上除了轴间振动增加外，其水平和垂直方向的振动值基本相当。
振动加速度值：电机负荷侧轴承座上各测点方向上的振动加速度值都有不同程度的增大，其中垂直方向振动加速度值平均值从0.40 m·s-2增大到5.19 m·s-2，为原来的13.0倍，峰值则由1.9提高到34.6，增加了17.2倍，而水平方向上的加速度平均值和峰值则分别增加了7.7倍和8.2倍，轴向的加速度平均值和峰值则分别增加了1.9倍和1.8倍。
表1 电机负荷侧轴承的振动测试数据
注：A－代表轴向；V－代表垂直方向；H－代表水平方向
再将10月22日的分析数据与11月5日的数据进行比较可以发现，垂直方向的振动加速度值由2.80 m·s-2提高到5.19 m·s-2，而轴承冲击值则由1.89增大到4.98，分别增加了0.9倍和1.6倍，而水平方向上的振动加速度值和轴承冲击值则分别增加了0.4倍和2.1倍，说明异常磨损的发展相当快。
以上分析表明，虽然从振动速度值上较难发现故障的存在，但从轴承冲击值和振动加速度的变化可以清楚地发现该轴承有异常磨损出现。
2.1.2振动信号分析
下面就电机负荷侧轴承座的轴向振动速度的频谱信号进行分析。由图2可知：
在时域上，存在较明显的周期冲击，间隔为Δt＝133.5 ms和Δt＝60.5 ms,即为Δf=7.5Hz和Δf=16.53Hz，其中f=7.5Hz是轴承保持架的故障频率，而f=16.53Hz则是电机的转速频率。
在频域上，由f=7.5Hz及谐频，f=128.75Hz为主频，边频Δf=7.5Hz所组成。其中f=128.75Hz为轴承外圈故障频率。频谱上还存在f=158.75Hz，它是f=128.75Hz与4×7.5Hz边频之和。
以上分析表明，轴承保持架存在较明显的异常磨损，轴承外圈也有异常磨损迹象。
2.2 磨损分析
首先通过往润滑脂中添加特殊溶剂的方式将其预处理成液体状溶液，然后就可以借鉴润滑油的光谱和铁谱分析方法对其进行定量和定性分析了。
2.2.1 光谱分析
由轴承的材质可知润滑脂中的磨损金属成分主要为铁和铜元素，故在此主要考虑这两种元素在润滑脂中的含量。由表2可知，负荷侧轴承的润滑脂中主要含有铜元素，其含量是自由侧轴承润滑脂的14.0倍，它来源于轴承保持架的磨损；铁元素浓度是自由侧的3.1倍。由此可以判断异常磨损来源于电机的负荷侧轴承。
图2 电机负荷侧轴承轴向振动速度频谱信号
样点 Fe Cu
负荷侧轴承 656 2281
自由侧轴承 212 163
2.2.2 铁谱分析
负荷侧轴承的铁谱分析显示润滑脂中存在大量大尺寸的铜合金磨粒，最大尺寸在200微米以上，其它大尺寸有140×80、100×60、80×60微米等，其种类有片状、块状、严重滑动磨粒（见图3）。此外还存在较多铁磁性磨粒，种类有正常滑动磨粒、片状、切削状、球状磨粒等，其中片状磨粒的尺寸有100×60、80×30、60×40微米等；切削状磨粒的最大尺寸有120×3微米（见图4）。
图3 铜合金磨粒 图4 切削状钢磨粒
据此得出诊断结果：负荷侧轴承存在较严重异常磨损，故障的主要来源在于轴承保持架的磨损。
2.3 诊断结论及建议
综合以上振动和磨损的分析结果，可以得出如下结论：电机负荷侧轴承存在明显异常磨损，其中保持架的磨损相当严重，且异常磨损发展快。据此建议生产厂立即停机检修轴承。
2.4 检修结果
11月7日，生产厂对其进行拆检，发现电机负荷侧轴承的保持架则沿轴向两端面均被磨掉2-4 mm的深度，留下一明显的台阶，而轴承的内圈和外圈上均存在明显的条状压痕，滚柱上的磨痕也非常明显。
更换电机两侧轴承后，再次对电机单体运行时的情况进行了测试，与前面所测数据相比，其振动值明显下降。其后的几次分析同样表明，该机组的振动已经恢复到正常水平。
3 结束语
通过振动、磨损等多种分析方法的综合应用，我们及时预报了高炉脱硅除尘风机的电机轴承存在的故障，尤其在对轴承故障的准确定位方面，对检修起到了十分重要的指导作用，为尽快排除故障并迅速恢复生产起了至关重要的作用，诊断的意义就此体现出来。
总之，多种分析方法的综合应用对提高故障诊断的准确率并最终确保机械设备的正常运行是非常必要的，这将是今后故障诊断的发展方向。
参 考文 献
1 D.P.安德森编, 金元生、杨其明译. 磨粒图谱.北京:机械工业出版社, 1987: 79-81
2 萧汉梁. 铁谱技术及其在机械监测诊断中的应用.北京:人民交通出版社,1993,202-206
3 陈兵奎等. 润滑脂铁谱分析. 润滑与密封.1998（4）:33
4 刘仁德等. 润滑脂铁谱分析的研究与应用. 润滑与密封. 2002（5）:65-66
5 刘仁德等. 铁谱技术在脂润滑滚动轴承的状态监测中的应用. 中国机械工程学会摩擦学分会润滑技术专业委员会第八届学术年会（厦门）论文集. 2002: 142-145
6 陶德华等. 利用光谱和铁谱分析技术对脂润滑滚动轴承进行状态监测. 第十一届全国设备监测与诊断学术会议论文集. 2002年10月, 无锡, 327~329(end)
