频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用

李庆云，王惠军

（广西石化公司，广西 钦州 535008）

轴承是旋转机械设备中重要的部件，也是最易受损的元件之一。轴承的工作环境直接影响设备的运行状况[1]。采用频谱分析方法，可以快速找出滚动轴承故障的特征频率，判断故障类别及产生的原因，实现对滚动轴承故障的早期发现和准确诊断，因此具有重要意义。

滚动轴承在实际生产中的应用较为广泛，故障类型较多。导致轴承失效的因素多且杂，失效形式及现象特征各不相同[2]。常见的失效形式有以下几种：1）轴承受到交变应力作用而引起疲劳失效，会在轴承表面形成点蚀或麻点剥落；2）长时间的相对滑动摩擦，使得轴承表面的金属出现疲劳磨损，在轴承表面形成凿削式或犁沟式磨损，导致摩擦面局部过热，严重时会造成摩擦面焊合卡死；3）轴承的密封不良，外界水分进入轴承内引起化学腐蚀，腐蚀产生的锈斑会使轴承表面产生早期剥落，加剧磨损；4）安装不当导致轴承各零部件间的受力不均，随着时间推移，轴承会丧失运转精度。

滚动轴承的故障频率一般有4 种，即保持架故障频率、滚动体故障频率、轴承外圈故障频率、轴承内圈故障频率。采用频谱分析技术，对滚动轴承的故障特征频率进行提取和分析[3]，基于故障类型和特征之间的关系，准确识别并确定故障类型，可为故障的诊断提供有效依据。

1 运转设备简介

运转设备为某大型炼厂1000 万t·a-1常减压装置二级电脱盐注水泵，为单级悬臂泵，机泵两端轴承型号及运行参数如下：泵转速2980r·min-1，输送介质为水，介质运行温度40℃，泵入口压力0.01MPa(G)，泵出口压力2.31MPa(G)，泵驱动端轴承是1对型号为7312B 的角接触球轴承，泵非驱动端轴承是1套型号为NU312的圆柱滚子轴承。

2 轴承的运行故障

在正常运行期间，二级电脱盐注水泵的轴承加速度在20m·s-2左右。2023年12月5日，该泵体驱动端的轴承加速度在3 个方向同时出现上涨，水平方向的加速度为48.3m·s-2，垂直方向的加速度为46.0m·s-2，在泵体驱动端的轴承座处，用听诊器能听见明显噪音，轴承振动的监测结果见图1。

图1 轴承的振动监测图

3 轴承振动故障分析

3.1 轴承故障特征频率的计算

滚动轴承的失效过程一般分为4 个阶段。第1阶段为轴承的早期故障阶段，频率范围在250～350kHz，轴承故障的各特征频率不明显，此时轴承的运行声音及振动均比较正常。第2阶段为轴承的轻微故障阶段，频率范围在0.5～20kHz，轴承的轻微缺陷产生的冲击，会引起轴承元件的固有频率共振，此时轴承振动频谱图里仅显示固有频率的成分。第3 阶段为轴承故障的发展阶段，除固有频率外，出现了更多的倍频及间隔频率，轴承故障肉眼可见，需要安排检修更换。第4 阶段为故障的尾声阶段，此时轴承的振动和噪声异常明显，冲击能量巨大，极易对设备造成毁灭性破坏，实际生产中要避免这种情况出现。滚动轴承的不同故障位置引起的特征频率的计算见表1。

表1 不同故障部位引起的特征频率的计算

式中，FO 是外圈故障频率，Hz；FI 是内圈故障频率，Hz；FT 是保持架故障频率，Hz；FS 是滚动体故障频率，Hz；D是滚动体中心圆直径，mm；d是滚动体直径，mm；α是接触角，°；z是滚动体个数；n是轴转速，r·min-1。

3.2 轴承故障特征频率的分析

对泵驱动端轴承在水平方向和垂直方向的加速度进行频谱分析。从加速度波形看，时域波形存在冲击信号，冲击幅值达199.3m·s-2。从频谱图看，加速度的频谱峰值已扩散到1000～4000Hz 频段，出现了353Hz 的谐波信号，与轴承内圈的特征频率相近(图2 和图3)。据此初步判断是轴承内圈出现了故障。

图2 驱动端轴承水平方向加速度趋势及频谱图

图3 驱动端轴承垂直方向加速度趋势及频谱图

2023 年11 月30 日，泵体驱动端轴承的包络冲击值为7.7gIE，12月5日的包络冲击值为20.8gIE，出现了波动上涨。在频谱上，轴承内圈和滚动体的特征频率均出现了峰值，轴承内圈的缺陷频率相对更明显(图4)。

图4 泵体驱动端轴承gIE趋势及频谱图

3.3 轴承故障的验证

对轴承故障机泵进行切换，停下后盘车发现轴承有卡顿现象。于2023 年12 月13 日安排检修拆解，发现泵体驱动端拆下的轴承内圈滚道存在约1cm2的疲劳剥落(图5)。拆检结果与频谱分析结果相吻合。更换新轴承并对中找正、开机试运后，设备运行正常，振动由4.2mm·s-1下降至3.9mm·s-1，加速度由48.3m·s-2下降至8.2 m·s-2，检修前后轴承振动的监测数据见表2。

表2 检修前后轴承的运行振动数据

图5 驱动端轴承拆解内圈图

4 结论

滚动轴承的故障诊断是设备故障诊断技术中的一项内容。将频谱分析用于轴承故障的准确诊断，可为设备的精准检修提供依据和指导，进而可为安全生产提供有力保障。