邓国庆

【摘 要】科技的快速发展使我国快速进入现代化发展阶段，各行业有了新的发展机遇。现代工厂里转动设备的应用非常普遍，转动设备大量使用轴承部件，滚动轴承作为机械设备的常用标准件，也是设备经常损坏的部件。由于滚动轴承的失效造成设备运转异常而不得不进行检修，所以做好滚动轴承故障诊断在设备管理中的实际意义非常重要。

【关键词】低转速设备；滚动轴承故障诊断技巧

引言

近年来，我国工业建设发展非常迅速，为我国基础设施建设贡献了非常大的力量。在科技快速发展中，滚动轴承故障振动信号为多分量調制信号，在解调分析前需要将其分解为若干个单分量调制信号，现有的诸多非平稳信号处理手段，如小波变换、经验模态分解、局部均值分解、局部特征尺度分解、变分模态分解等方法虽然在滚动轴承诊断中已得到较为广泛的应用，但是依然存在一些未能从根本上得以解决的缺陷或不足。

1低转速滚动轴承故障振动特性

由于转速较慢，低转速设备的故障一般不容易显现出来，等到设备出现大的异常时，往往滚动轴承的故障已经非常严重，而低转速设备的滚动轴承故障又很少引起设备振动的显著变化，特别是大部分企业都应用振动速度标准，故低转速设备滚动轴承的故障振动分析诊断率很低。在实际故障诊断工作中，发现低转速滚动轴承的故障在检测中一般总振值基本正常，虽然有时候会有明显的异音，随着连续的运转，设备总振值变化很小，但是在低转速滚动轴承快要失效时，速度频谱中常会出现高倍频的杂乱谱峰，这时就需要引起注意。分析认为，此时的低转速滚动轴承，其故障已经发展到会影响设备运转精度的程度了，会随时出现断裂、扭转等严重的轴承故障。

2故障的判断与识别

故障的判断与识别可以提前分析滚动轴承失效先兆，从而提前安排检修，避免因为滚动轴承故障而造成的故障扩大，从而使检修作业内容扩大和增加难度。近20多年来，随着振动分析技术在生产实际中的应用和发展，常见的滚动轴承故障通过振动分析基本可以准确诊断出来，例如剥落、点蚀、磨损间隙过大等故障。但是，低转速设备滚动轴承的故障不容易诊断出来，特别是低速重载设备的滚动轴承故障诊断，是实际生产中的一个难题。滚动轴承的突然失效，一般会造成机械设备的突发故障及恶劣后果，给生产和检修造成很大麻烦。在长期的故障诊断工作中，对低转速设备滚动轴承故障的诊断进行了一些探讨与研究，逐步积累了一些诊断方法和经验。

3实测信号验证

利用旋转机械故障实验台测取数据对方法进行验证。利用线切割加工技术分别在正常滚动轴承内、外圈上加工出深度为1.5mm、宽度为0.2mm的切痕，人为植入不同类型的微弱局部损伤。滚动轴承运行过程中内圈周期旋转而外圈固定，因此外圈故障位置不同，损伤导致的振动传递到传感器的路径也不同。由于传感器安置在轴承座上，当外圈故障位置处于6点钟位置时，振动传递路径最复杂，传感器采集的信号蕴含特征最微弱，诊断难度最大，为了凸显所提方法的有效性，实验时将外圈切痕设置在6点钟位置处。

4低转速滚动轴承故障诊断方法

对滚动轴承同时采集振动速度和振动高频加速度波形，并分别进行频谱分析。由于低转速设备转速低，采集的振动参数能量较低，因此需要对低转速设备采集的振动数据进行补偿。在实际工作中，诊断转速在电流工频的设备应用最多，积累的经验也比较丰富，诊断的参数标准也很有效。因此，对于低转速设备，首次提出速度补偿分析方法和补偿因子计算及应用方法。振动加速度×补偿因子，主要考虑速度能量的补偿。如果设备比较重要，可以将补偿因子调整为比值的1.5倍。这样就可以把低转速设备的振动参数补偿到高转速等效参数进行故障分析与诊断，提高故障诊断的准确率。

5振动分析技术

振动分析技术作为一种有效的无损检测方法，已广泛应用于风电机组传动系统故障诊断中。但在低速旋转机械故障诊断方面，已形成早期故障的旋转机械振动特征分量能量相对较小，难以获取，不利于关键部件的故障诊断。声发射作为一种具有高灵敏度的新型故障检测技术，在故障初期及发展趋势的诊断上具有明显优势。在滚动轴承故障中，声发射检测技术可以作为振动检测的有力补充工具，而且在轴承低转速和故障早期的检测中，相较于振动信号，AE信号更能发挥作用。目前AE信号分析方法中，对AE时域波形的分析处理方法受到了广泛关注。AE波形分析方法可以分为时域分析法、频域分析法和时频域分析法。时域波形分析方法虽然可以获取故障特征，但有效信号易受到旋转机械周围的电磁干扰，使得故障特征难于判别。基于傅里叶变换的频域分析方法，将对信号的分析从时域跨越到了频域上。由于FFT变换仅局限于平稳信号，考虑到旋转器械故障产生的AE信号表现出的非线性特性，FFT方法不在适用。近年来，如短时傅里叶变换时频方法成为分析非平稳信号的有利工具。

6低转速滚动轴承故障诊断要点

通过长期的摸索，总结出诊断低转速滚动轴承故障的要点：①振动总值基本没有大的波动，建议以加速度参数值分析；②故障后期，振动频谱高倍频谱峰增多，并且谱形杂乱；③对振动参数值进行补偿计算，按补偿后的参数值进行振动分析或按照振动标准诊断，推荐的补偿公式为A等效=§×A实测；④故障后期，可以作包络分析，如果包络谱峰出现低转速滚动轴承故障特征频率或其倍频，则可确认低转速滚动轴承故障，应尽快停机检修。

7一起低转速滚动轴承故障诊断实例

某空分装置有1台氮压机，电机转速493r/min，轴伸端轴承型号为NU321，自由端轴承型号为6320，反映电机有不规则异音。通过采集的数据分析，该电机振动速度虽然比较大，但考虑负荷是活塞式压缩机，振动参数也在正常范围内，而且该电机历史振动数据一直也偏高，振动加速度最大值为10.5m/s2，按照一般加速度标准也不超标。由于该设备转速较低，采用速度补偿的方法。因此判定，该电机等效振动加速度超标，怀疑电机滚动轴承存在问题。对加速度谱进行包络解调，发现轴伸端有自由端轴承外圈特征频率，自由端出现轴承外圈2倍特征频率，结合自由端振动加速度较大，诊断该电机自由端滚动轴承存在故障，决定尽快进行检修。检修发现，该电机自由端滚动轴承保持架破碎。由于诊断准确及时，没有造成大的设备故障，减少了检修成本。

结语

通过低转速设备滚动轴承诊断实例，发现采用速度补偿参数诊断是准确、有效的。但同时发现，包络解调在保持架损坏如此严重情况下，竟然没有解调到保持架特征频率。由此得到提示，在日常进行低转速设备滚动轴承故障诊断中，应主要以补偿参数进行故障判断，将包络解调作为辅助手段。另外，此诊断方法也适用于低转速设备齿轮故障的诊断。

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（作者单位：上汽通用汽车有限公司武汉分公司）