基于振动监测与诊断技术的泥泵轴承箱故障诊断分析

王志，盛卫明，李凯

（中港疏浚有限公司，上海 200120）

1 振动监测与诊断技术原理及应用

振动监测分为在线监测和离线监测，在线监测是对设备的运行状态进行连续、实时监测，而离线监测是按照一定周期对设备进行的重复性检查和诊断。两种监测方式原理是一样的，首先，应用仪器采集振动信号；然后，通过专业信号处理技术提取反映被诊断设备状态的特征信号；最后，由专业振动分析人员对特征信号进行对比分析判定设备故障程度及部位。通过振动监测与诊断技术对旋转设备诊断的故障，包括不平衡、不对中、轴弯曲、旋转松动、轴承磨损、油膜涡动、齿轮偏心及磨损、结构共振、电机电气故障等。每种故障信号特征在时域、频域、幅域中有所反应。

2 疏浚船舶泥泵轴承箱结构及作用

大部分泥泵轴承箱主要由两端（前端、后端）端盖、箱体、轴封、前后支点轴承及推力轴承组成。前后支点轴承主要承受轴跳动的径向力和少部分轴向力；推力轴承安装在轴承箱中间，主要承受轴向力。轴承箱主要作用是支撑和润滑。泥泵在工作时会产生径向力、轴向力、振动，轴承箱起到平衡作用，从而减少驱动设备（电机）不平衡应力；轴在转动时会产生热量，轴承箱会通过循环润滑油带走热量，避免轴承因温度过高硬度减小加速轴承磨损。

3 振动监测与诊断技术在轴承箱故障判断中的应用

3.1 旋转松动故障

3.1.1 旋转松动故障信号特征

（1）产生1X转频及谐频峰值。当泥泵泵轴与轴承箱滚动轴承之间余隙出现超差时，即泵轴与轴承之间出现松动现象。则轴承箱运行过程中会产生1X谐波，当轴承箱运行状况恶化时，谐波甚至能扩展到10X。（2）轴承箱滑动轴承游隙出现超差时，当轴承箱运行过程中出现摩擦或严重的冲击作用时，将会产生后面所示的0.5X谐波。通常被称为半阶分量或次次谐波。有时甚至会产生1/3阶谐波。

3.1.2 旋转松动故障处理方法

（1）加强底脚强度，检查地脚螺栓紧固情况。（2）检查轴线对中情况。（3）使轴承箱支撑高度在同一水平面。（4）检查轴承箱轴承磨损情况和轴承与筒体间隙。

3.2 不对中

3.2.1 不对中的分类及故障信号特征

（1）平行不对中：轴的中心线平行但不共线。（2）故障信号特征：在出现平行不对中时，连接相互联接的传动轴产生剪切应力和弯曲变形，图谱产生径向2x波峰和径向1x低幅波峰。靠近中间联轴器两端的轴承，会在径向（垂直和水平方向上）上产生高强度的1x和2x振动。通常情况下，2X处的幅度要高于1X。对于简单的平行不对中，轴向上1X和2X处的振幅都很小。沿联轴器检测到的振动在轴向和径向上异相，并且轴向上的相位差为180°。（3）轴线角度不对中：不对中的两个轴相交于一点但相互不平行。（4）故障信号特征：产生轴向1X波峰和2X低幅波峰，径向1X低幅波峰。在传动轴线出现角度不对中时，传动轴上将会在轴线不平行的交汇点产生对应弯曲作用，在频谱上显示出高强度的1X振动和在两端的轴承上的少量轴向2X振动。还会有相当强的径向（水平和垂直方向上）1X和2X振动，但是，这些振动都是相同的。振动在轴向上的相位差为180°，而径向上同相。

3.2.2 案例分析

上述图表为某疏浚船舶泥泵轴承箱频谱图。图1为径向测量，2X振动峰值（0.52mm/s）远高于1X振动峰值（0.04mm/s），图2为轴向测量，2X振动峰值高于1X振动峰值，但总体小于径向测量。根据故障特征信号分析，该轴承箱存在平行不对中或者轴线不良故障。

图1 某疏浚船舶泥泵轴承箱后端（径向）速度频谱图

图2 某疏浚船舶泥泵轴承箱推力轴向速度频谱图

3.2.3 不对中故障处理方法

轴系不对中主要受联轴器影响，若两半联轴器不对中会产生附加弯曲力，所以，首先，应该检查联轴器工作情况；然后，检查轴承箱机壳有无变形或移位。

3.3 滚动轴承故障

3.3.1 滚动轴承结构及失效形式

（1）滚动轴承的四大组成零件为内圈、外圈、滚动体和保持架，其主要优点是摩擦阻力小、启动快、运行平稳、效率高，安装、维修方便。（2）滚动轴承的失效形式分为两种，一种是滚动轴承长时间运转出现疲劳剥落和磨损，另一种是出现裂纹和断裂、压痕等异常失效。

3.3.2 轴承箱滚动轴承的故障特征频率和发展阶段

（1）轴承箱故障特征频率：轴承箱滚动轴承内部元件出现损伤时，轴承箱在运行中就滚动轴承会产生对应的振动频率，称为轴承箱的故障特征频率。轴承故障频率包括内圈、外圈、滚动体、保持架故障频率。（2）轴承箱轴承故障发展阶段：①润滑不足或轻微轴承损伤的初步特征是产生高频的振动，但振动幅值很低；②随着轴承故障的发展，采用对数频谱方式或使用加速度单位，看到故障的概率会更大；③轴承损伤就比较严重了，如果拆下轴承，肉眼就能看见部件损伤；④轴承有了明显的损伤，由于轴承部件的几何形状发生变化，所以故障频率也会改变，随着时间的推移，原来的故障频率及边带可能会消失，相反底部噪音会抬起，因此应更换轴承。

3.3.3 案例分析

图3为某船舶泥泵轴承箱前端轴承包络谱，图谱中出现轴承24072CC/W33内圈故障频率（BPFI）及谐频峰值，并带有一倍转频边带峰值，幅值较大，表明轴承内圈出现严重损伤，已经到故障中期。图4为修理前后包络趋势图谱对比，发现蓝色（修理后）图谱未出现轴承故障频率峰值，幅值及底部噪音明显降低。

图3 某疏浚船舶泥泵轴承箱前端轴承包络谱

图4 某疏浚船舶泥泵轴承箱前端轴承修理后包络谱

3.3.4 滚动轴承振动处理方法

（1）检查载荷的大小。（2）使用合适黏度的润滑剂来改进润滑方法。（3）检查转子与轴承座的精度。（4）检查游隙。（5）加强轴承温度监控，必要时更换故障轴承。

4 结语

综上所述，通过对泥泵轴承箱故障诊断的理论和实际应用分析，证明了振动监测与诊断技术的可行性。为进一步分析故障诊断检测提供了方法，时域和频域图谱相结合诊断方法是泥泵轴承箱故障诊断的有利依据。对轴承箱实时振动监测能避免非计划停机造成的经济损失，也能够为机修人员在维修和制定保养计划中提供依据，使机械设备维护方式发生根本性变革。