基于振动特性的电机轴承故障诊断

韩风梅，戴风涛

（中国石油独山子石化分公司研究院，新疆独山子 833699）

0 引言

电机是化工企业生产中的重要设备，其在使用过程中出现振动异常的情况，对化工企业连续性、长周期生产的平稳运行造成不利局面，严重时甚至会造成电机损坏。振动作为转动设备运行过程中存在的明显现象，其中包含很多运转部件的特征信息，基于振动特性的电机滚动轴承的状态监测与故障诊断一直以来都是状态监测的重要内容。在运行过程中，电机滚动轴承如果出现异常或发生故障，其特征便能在振动信号频谱中明显地体现出来，通过对振动特性进行监测分析，是及时发现电机故障的一种非常有效的手段[1]。轴承故障占电机总故障的40%以上。工业设施中的大多数轴承在非理想的条件下运行，常受到疲劳、环境机械振动、过载、轴心错位、污染、电流开槽、腐蚀、不正确的润滑等影响，开始只是导致边缘缺陷，然后这些缺陷会在轴承内圈、外圈和滚珠组件中传播和扩散增大。经过了一段时间缺陷变得明显，便产生了机械振动并且引起听觉噪声[2]。通过基于振动特性的状态监测技术，可以提高预知性检维修，减少设备故障发生率，大大缩减相关维修费用，经济效益明显。

1 轴承故障经过

石化公司某厂挤压机电机为AEG 公司制造，功率1800 kW，额定电压6 kV，频率为50 Hz，额定电流215 A，转速为990 r/min，刚性基础，转轴中心高475 mm，绝缘等级为F 级。负荷侧轴承型号为SKF NU234+6038，风扇轴承型号为SKF NU234。

2022 年1 月10 日，日常监测中发现电机负荷侧声音异常，采用vm-63 便携式测振仪监测振动，负荷侧轴承轴向振动烈度在4.2～7.6 mm/s，垂直和水平振动无增大趋势；风扇侧轴承声音正常，振动烈度最大为1.0 mm/s，电机负荷侧轴承轴向振动明显增大。两轴承的最高温度为62 ℃，温度正常。电机轴承补充润滑脂后振动有所降低，但仍在2.2～4.7 mm/s 波动。1 月11 日，使用SKF CMXA80 振动数据采集仪再次进行离线监测精密诊断，采集数据如表1 所示。

表1 2022 年1 月11 日电机轴承振动监测采集数据

根据GB/T 6075.3—2011《机械振动在非旋转部件上测量评价机器的振动》，额定功率大于500 kW 并且小于50 MW 的大型设备，转轴中心高不小于315 mm，刚性基础，振动评定等级为：A 级≤2.3 mm/s，2.3 mm/s＜B 级≤4.5 mm/s，4.5 mm/s＜C级≤7.1 mm/s，D 级＞7.1 mm/s。电机风扇侧轴承振动烈度最大为0.7 mm/s，轴承振动评定等级为A，风扇侧轴承振动正常；负荷侧轴承振动烈度1.7～4.9 mm/s，且存在非周期性波动，最大值为4.9 mm/s，电机负荷侧轴承振动评定等级为C，不适宜连续长周期运行。

负荷侧轴承轴向振动频谱图如图1 所示，可以看出主振频及主要波动频率均为262.5 Hz，该频率近似四倍SKF 6038 轴承滚动体故障特征频率，由此判断电机轴承滚动体磨损。

图1 电机负荷侧轴承轴向振动频谱图

依据SKF 滚动轴承加速度包络gE 值（无量纲）、轴承运行状态判定的参考标准，在转速为500～1000 r/min 时，gE 值不大于2.0gE 的为绿区，介于2.0gE～4.0gE 的为黄区，大于4.0gE 的为红区。该电机转速为990 r/min，由此判定风扇侧轴承冲击值处于绿区、轴承正常，负荷侧轴承冲击值处于红区。

主电机负荷侧轴承冲击频谱图如图2 所示，可以看出电机负荷侧轴承冲击谱中存在131 Hz 及其谐波，该频率近似二倍SKF 6038 轴承滚动体故障特征频率。

图2 主电机负荷侧轴承冲击频谱图

综上分析，电机负荷侧轴承振动存在以下特性：①轴承轴向振动超标，且存在非周期性波动；②轴承振动频谱图中，主振频及主要波动频率均为262.5 Hz，该频率近似四倍SKF 6038 轴承滚动体故障特征频率；③轴承冲击值位于红区，冲击谱中存在131 Hz 及其谐波，该频率近似二倍SKF 6038 轴承滚动体故障特征频率。

振动谱图中出现故障频率特征及其谐波，表明轴承存在损坏。当轴承表面局部损伤时，在运行的过程中要撞击接触表面并产生冲击脉冲力，振动加速度包络信号也同时出现故障特征频率和谐波分量，轴承的损伤程度将逐步加剧[3]。因此判定负荷侧定位轴承（KSF 6038）磨损间隙变大、滚动体故障、轴承异常磨损，建议运行部及时停机，检查轴承、定位环磨损情况及配合间隙，并更换轴承。

2 电机轴承故障检修验证情况

2022 年1 月13 日，机组停机电机拆检。经解体检查发现，负荷侧轴承（SKF NU234+6038 双轴承）中NU234 轴承滚动体表明光洁度良好，SKF 6038 轴承滚动体表面粗糙度高、有轻微剥落，滚动体磨损变形，轴承内圈有明显偏磨痕迹（图3）。电机轴向振动出现非周期性波动的原因，是负荷侧轴承滚动体光洁度损坏，轻微的剥落、不均匀的磨损所致。同时也验证了负荷侧轴承滚动体故障、轴承异常磨损的诊断结论，避免了设备故障。

图3 主电机负荷侧SKF 6038 轴承拆检情况

3 主电机负荷侧轴承故障原因分析

在电机中，轴承虽然只是支撑转子的一个部件，但是电机多种故障是以轴承振动大、发热等形式反映出来的[4]。

受长期载荷变化的影响，滚动轴承的滚动体和内外滚道产生的疲劳裂纹，首先出现在接触面下最大交变剪应力区域，随后会逐渐延伸到接触表面，在接触表面会产生斑点状的剥落，随着运行时间的增加斑点状剥落会慢慢发展为更大的疲劳剥落。疲劳剥落是滚动轴承失效的最主要原因，因此轴承的使用时间取决于其疲劳寿命。

磨损的主要原因是，滚珠与滚道之间的相对运动以及有异物进入滚道而引起的表面磨损。另外，润滑状态不良也会加剧轴承磨损进度，当轴承游隙超过最大允许游隙时，致使其表面粗糙度增加从而降低了轴承的工作精度，最终导致轴承无法正常工作而发生故障。

结合监测及轴承拆检情况进一步分析，振动特性反映出负荷侧轴承轴向振动大且存在非周期性波动。拆检发现，负荷侧轴承内圈有偏磨的痕迹，说明轴承承受了较大的轴向机械力。负荷侧轴承只是该电机的定位轴承，轴向承载能力较差。进一步检查发现，联轴器弹性柱销磨损，使得轴向力的缓冲能力降低，最终导致负荷侧定位轴承滚动体磨损、内圈偏磨。电机负荷侧的声音异常，是由于轴承上疲劳斑点增大共振时发出的叫声。

2022 年1 月14 日，电机轴承更换后再次进行振动监测，负荷侧轴承振动烈度最大0.6 mm/s，风扇侧轴承振动烈度最大为0.5 mm/s，电机两侧轴承振动正常，轴承的声音、温度均正常。

4 总结

（1）利用轴承状态监测技术可以了解轴承的运行状况，并对可能发生的故障进行早期检测，指导设备预知性维护检修。

（2）通过振动特性监测结合谱图分析，可以快速、准确、高效地判断出故障原因及类型。

（3）基于振动特性的故障诊断，进一步提高了设备的管理水平和维修效率，经济效益明显。