振动和噪声分析在滚动轴承故障诊断中的应用
2009-07-15
黄勇波
(秦山第三核电有限公司)
摘 要：举例说明，对滚动轴承运行中出现的振动和噪声进行故障诊断与分析，能有效地解决问题。
关键词：滚动轴承；振动噪声；故障诊断
中图分类号：TH 133.33 文献标识码：B
当振动和噪声相互伴随时，振动和噪声问题常按其中一个来定性，这是因为人们能听到噪声及感到振动，但并不是依据它们的频率。很少人能听到低频声，而高频振动人们也感觉不到。因此，低频是“振动问题”，而高频是“噪声问题”。根据经验，区分振动和噪声的适宜界限为1000Hz。换句话说，认为频率为1000Hz以下是振动问题，高于1000Hz为噪声问题。
一、噪声分析
即使使用了Z先进的制造技术，滚动轴承中也存在固有的振动和噪声。由于这种振动和噪声并不影响轴承的性能，因此作为正常的轴承特性而被人们所接受。较为常见的噪声如滚道噪声，它是一种平滑和连续的声响，没有什么特别的措施来完全消除它，只能通过提高轴承的整体质量和精度可以减小它。其他的声音均可认为是异常声音需要进行故障分析和诊断。
1．轴承辗轧声分析
秦山第三核电厂1#和2#机组的海水泵房中各安装有两台循环泵，电机为立式电机，功率3040kW。
从2003年开始，2台循环泵电机的下轴承就出现了辗轧声，它不同于正常运行时的滚道声音，听起来像滚珠在金属上的滑动，为“苛鲁、苛鲁”的刺耳金属声，用听诊器可以定位噪声源于电机下轴承。循环泵辗轧声问题曾经困扰了一年，每次出现异音后，添加很少量的润滑脂（从6g到85g）均能使异音消失。电机轴承座振动值合格（0.22～0.45mm/s），通过频谱分析无异常。旧轴承送瓦房店轴承集团检测确认无故障。目前状况良好，但是由于根本原因没有解决，因此仍然会偶尔出现异音。
轴承异常声音来源分析：循环泵电机下轴承为分离型角接触球轴承SKFS7234（旧号为6234M），辗轧声发生机理参见图1。图中的径向负载使电机转子的不平衡力，由于轴承存在径向游隙，在非负载区的滚珠是不受压力的，但是被保持架推动，所以滚珠在滚道表面滑动，滑动摩擦而出现异常声音。所以轴承辗轧声Z直接的原因是轴承径向游隙造成的。
电机下轴承的结构参见图2，轴承的外圈被下方均匀分布的弹簧顶住，安装后弹簧有预紧压缩量。该弹簧使下轴承时刻受到预压，对轴承微量磨损和轴向位移进行补偿。当电机转子轴受热伸长下移时，内圈随之下移，消除轴承径向游隙，在此运行状态下的轴承是不会发出辗轧声的。当电机转子轴相对定子少量轴向收缩（小于0.5mm）时，轴承内圈随之上移，一般情况下，外圈由于弹簧作用也随之上移，轴承仍处于预紧压状态。当外圈与轴承座的配合较紧时，由于存在较大摩擦力，被压缩的弹簧的弹力不足以推动轴承外圈上移，此时轴承处于松弛的无预压状态，所以轴承轴向并没有负载进而产生了径向游隙。在运转过程中无负载区的滚珠被保持架推动而公转并产生滑动摩擦而发出声音，出现异音时电机下轴承温度下降，从温度上可以反映出下轴承受到的载荷变小了。当加入较少量的油脂可以暂时填充较小的游隙而消除声音，并不能从根本上解决问题，因为电机转子相对定子的伸缩是反复的。
2.轴承金属敲击声分析
秦山第三核电厂1#和2#机组的海水泵房中各安装四台海水泵，电机为立式电机，功率950k W，转速596r/min，上轴承为圆锥滚子轴承，型号为SKF30320（旧号7320），黄铜保持架，滚子数目为12颗。
2005年3月，1#机组4号海水泵电机的上轴承开始出现异常声音，为非常清脆的“叮叮”之声，时大时小，间歇性，8s左右一次，用听诊器能辨别声音来源于电机上轴承，为金属敲击声。当时怀疑风箱中有松动部件，在拆除风箱之后，进行带载试验，发现异常声音依然存在。在线仪表显示振动基本稳定在1.5mm/s左右，在噪声较为明显的时候进行了频谱分析和对比。出现噪声时通过振动频谱分析发现40Hz的频率较为明显，无上轴承故障频率。为了查明故障原因进行了空载试验，发现无噪声，振动良好，带载试验发现噪声依旧。为了彻底查明故障，请专家进行了诊断，认为定子部件有松动。后送电机厂解体修理未发现松动部件，进行了电机动平衡试验，结果正常。更换了电机上轴承。在现场进行空载试验，无噪声，振动良好，带载后噪声依旧。电机厂的专家来现场诊断，认为是轴承跑外圈。在电机运行时，打开轴承盖目视检查了轴承外圈，无任何跑外圈的现象。将电机的橡胶垫的压缩量进行了调整，该电机异常声音立即消失，振动由1.7mm/s立即下降到1mm/s并稳定。异常声音持续一个星期未出现，后又反复出现，调整地脚螺栓无效。
异常声音来源分析：电机上轴承为圆锥滚子轴承，意味着电机转子可以向上运动。电机下轴承为深沟槽球轴承，由于下轴承安装后有lmm的位移量，这就意味着电机转子在轴向可以移动1mm。电机的传动轴较长，万向节与电机轴相联接，下端由球面滚子轴承支承（图3），轴向游隙为0.2mm。设备运行时，由于存在轴向振动，测量球面滚子轴承振动发生的轴向位移为0.4mm，这样在振动的Z高位置就承载了电机转子的重量而导致电机转子向上运动。上轴承内圈会随轴上下运动，而外圈是随电机定子上下运动（0.1 mm），这样就会发生达外圈相对运动而发出金属敲击声音。问题的关键是由于现有结构上的原因，长轴在轴向的补偿是通过橡胶垫来调节，而橡胶垫的压缩量只有0.1mm，就会出现调整地脚螺栓无效的情况。
二、轴承故障振动频谱分析
一般情况下滚动轴承故障的阶段可分为14个阶段，即轴承剩余寿命的10%～20%、5％～10%、1%～5%、0％～1%。设备运行的现场由于存在各种因素的干扰，由于测量手段等条件的限制，要在前两个阶段来发现轴承故障是很困难的。而在第三阶段比较明显的特征有：(1)可以听到噪声；(2)温度略升高；(3)非常高的超声振动尖峰能量，轴承有故障；(4)振动加速度总量和振动速度总量大增；(5)在线性刻度频谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波频率和边带频率；(6)振动频谱的噪声水平明显提高。此时轴承剩余寿命大于B-10规定的1%，通过振动频谱分析可以在此阶段及时发现故障。
秦山第三核电厂采用的振动频谱分析仪，是美国ENTEK公司的DP-1500数字采集器和配套分析软件EMONITOROdyssey Deluxe Software系统。DP-1500数据采集仪的主要功能是电信号数据采集和频谱分析，重点用于旋转机械的振动测量，是一种小型、轻便、多功能和智能化的数据采集分析仪。它属于精密诊断仪器，能较好地分辨各种设备的振动故障。
1．轴承外圈故障诊断与分析
1#机组的4号再循环冷却水泵功率为1300kW，额定转速740r/min，两端轴承为油润滑，采用球面滚子轴承，型号为SKF22228CCKIW33。对这台非常重要的设备进行在线振动幅值监测和温度监测，设立了振动报警值和温度报警值。为了及时发现设备故障和确认报警的真实性，同时也进行了定期的振动频谱分析。
此水泵自调试结束后运行一年以来振动幅值和温度都未出现报警，也未发现明显的噪声，但是通过0.36～1000Hz的波段频谱分析发现有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分别为1倍频和叶片通过频率以及通过频率的2倍（图4），调出轴承数据库中的故障特征倍率，发现轴承外圈的故障特征为8.12倍工频，即101.5Hz。实际上这个频率的幅值不明显，而故障频率的2倍到9倍的谐波频率比较明显，运行时间快到两年的时候就有明显的连续噪声但温度正常，通过测量振动，故障频率的谐波更为明显。所以决定更换轴承和润滑油。检修更换轴承后振动幅值减小，振动频谱正常。
纠正措施：更换轴承，按照轴承安装要求重新安装轴承，注意锥形轴套安装到位，锁紧螺母到位。
2．轴承内圈故障诊断与分析
2005年9月，2#机组2号海水泵电机的上轴承座振动趋势有所增加，在线仪表显示1.5mm/s升高到接近报警值（2.0mm/s），有时会触发报警信号，而温度正常。2.0mm/s的振动值并不高，但变化量却超过了原来的25%，应进行振动测量和振动分析确认故障原因。在线仪表跟踪监测表明，从稳定运行时1.0mm/s升高到1.6mm/s的时间为4天。该电机为立式电机，转速596r/min，功率950kW。上轴承为圆锥滚子轴承，型号为SKF30320（旧号7320），黄铜保持架，滚珠数目为N=12颗。轴承内圈的故障特征频率为：BPFIr=0.6Nf=0.6×12×9.9=71.3Hz。
采用美国ENTEK公司生产的DP1500及相关软件进行频谱分析，实际测量到频谱中的主要成分有：71Hz、142Hz、213Hz、355.2Hz、426.2Hz、586.3Hz等等，为内圈故障特征频率的1、2、3、5、6、7、8倍（图5）。
故障原因分析：解体后发现轴承内圈确实有故障，滚道表面有10mm×10mm深0.5mm的破损，可能是锻造加工中存在微小的缺陷，在运行过程中扩大造成的，运行过程中也可以听到较为规则的金属撞击声。所采用的纠正措施为更换轴承。
三、结论
滚动轴承振动和噪声异常的原因主要是制造和安装方面的因素，但是通过振动频谱分析和噪声诊断分析等手段，是可以及时发现轴承故障和分析出故障的Z终原因的，这为解决问题提供了合理可行的方向。
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