本文討論了1,250噸（4,400千瓦）空調(diào)冷水機組外部軸承缺陷的一個例子。使用現(xiàn)成的便攜式振動分析硬件和軟件檢測缺陷。該機器是單級離心壓縮機，在電機自由端帶有滾動元件推力軸承，在電機驅(qū)動端帶有套筒軸承。本文討論了使用振動譜作為軸承狀況指標(biāo)來診斷和趨勢軸承缺陷的方法。所涵蓋的診斷方法普遍適用于具有滾動軸承的其他類型的機器（泵，風(fēng)扇，齒輪）。

振動分析工具
在過去的25年中，用于測量振動的工具得到了顯著改善。工業(yè)機械上大多數(shù)振動數(shù)據(jù)采集的***選傳感器是加速度計。顧名思義，輸出與加速度成正比; 但是，它通常被集成為以速度為單位顯示。使用圖2中所示的三軸加速度計簇收集該案例歷史中顯示的所有數(shù)據(jù)。

圖1.冷卻器顯示電機軸承座上的振動測試位置。

圖2.三軸加速度計組（左圖）的示意圖，其安裝在青銅盤安裝墊（右下）上。該集群包含三個加速度計，每個加速度計與其他加速度計相互垂直。使用條形碼激活振動數(shù)據(jù)采集，條形碼自動設(shè)置數(shù)據(jù)采集器，收集并存儲數(shù)據(jù)。

凹口安裝墊剛性地粘附到電機軸承殼體上，三軸組件安裝在螺栓上，允許同時收集所有三個軸。條形碼和安裝配置允許每次收集準(zhǔn)確且可重復(fù)的數(shù)據(jù)，而不管進行數(shù)據(jù)收集的人員的技能如何。只要測試條件相對一致，如果機械條件保持不變，測試數(shù)據(jù)也應(yīng)該是一致的。

振動分析員使用的信號處理技術(shù)根據(jù)所需的細節(jié)水平而變化。在例行預(yù)測性維護程序中，通常收集兩種類型的數(shù)據(jù)。

總體水平：總體水平是在很寬的頻率范圍內(nèi)的總振動幅度的度量。整體振動測量，也稱為寬帶水平，是一種相對容易且收集，處理，分析和趨勢便宜的單一值。

窄帶：使用快速傅里葉變換（FFT）算法，振動信號被分解為多個離散頻率，并顯示為幅度與頻率的二維頻譜圖。在該案例歷史中示出的所有三軸光譜具有800線分辨率的頻率標(biāo)度。換句話說，每個光譜由800個單***的峰組成，這些峰定義了特定頻率的幅度。

振動驗收標(biāo)準(zhǔn)
1,250噸（4400千瓦）冷水機組的可接受振動水平是多少？冷水機制造商使用0.25英寸/秒（峰值）的通過/失敗寬帶規(guī)格。振動公差或規(guī)格通常表示為絕對或相對標(biāo)準(zhǔn)。表1中總結(jié)的IRD通用機械振動嚴(yán)重性圖表是絕對標(biāo)準(zhǔn)的***常見示例，對于機器上沒有任何歷史數(shù)據(jù)的工程師來說是一個很好的指南。機械狀態(tài)的每個增量由振動速度的因子2的變化表示。第三列提供了英寸/秒（峰值）與常用的速度分貝對數(shù)單位（VdB）之間的簡單轉(zhuǎn)換。請注意，6 dB也表示變化兩倍， 

表1. IRD通用機械振動嚴(yán)重性圖表是對通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)的改進，例如冷卻器制造商使用的標(biāo)準(zhǔn)，因為它提供了漸變的機器狀態(tài)。圖表中的公差適用于1.6到1667赫茲之間的頻率，適用于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機械。

雖然絕對標(biāo)準(zhǔn)適用于驗收測試，但需要更敏感的標(biāo)準(zhǔn)來作為預(yù)測性維護計劃的一部分進行準(zhǔn)確診斷。如果您的目標(biāo)是準(zhǔn)確診斷機器健康狀況，則相對標(biāo)準(zhǔn)***佳。通過平均在幾臺相同機器上進行的振動測量來定義相對標(biāo)準(zhǔn)，所有這些都在類似的操作條件下進行測 對于這種情況歷史，通過平均來自12個相同冷卻器的光譜測量值來構(gòu)建驗收標(biāo)準(zhǔn)。

將青銅盤安裝墊安裝在每臺機器的相同位置，并且在冷卻器以約80％額定負載運行時收集數(shù)據(jù)。在手動檢查數(shù)據(jù)后，測試光譜被發(fā)展成平均基線光譜數(shù)據(jù)，因此每個測試顯示機器處于相當(dāng)好的狀態(tài)。由于樣品中機器之間測試數(shù)據(jù)的變化，計算了標(biāo)準(zhǔn)偏差（sigma）。

然后，計算平均加一西格瑪光譜掩模。據(jù)統(tǒng)計，大約85％的振動幅度應(yīng)低于平均值加上一個西格瑪面罩。與供應(yīng)商定義的通過/未通過標(biāo)準(zhǔn)或絕對標(biāo)準(zhǔn)（如IRD圖表）不同，相對標(biāo)準(zhǔn)允許機器本身定義可接受的內(nèi)容。圖3是在該案例歷史中使用的相對接受標(biāo)準(zhǔn)的一個軸的示例。圖4顯示了低和***范圍數(shù)據(jù)的所有三個軸的平均和平均加西格瑪水平。如果800線譜中的一個或多個峰超過平均加西格瑪振幅標(biāo)準(zhǔn)，則僅這一事實并不表示存在嚴(yán)重問題（參見診斷策略部分）。
 

圖3.通過對來自12個相同冷卻器的光譜進行平均，專門針對1,250噸冷水機生成相對驗收標(biāo)準(zhǔn)。顯示的平均值（藍色底部光譜）和平均值加上一個標(biāo)準(zhǔn)偏差（紅??色頂部光譜）標(biāo)準(zhǔn)是徑向軸。IRD嚴(yán)重程度圖標(biāo)準(zhǔn)被疊加用于比較。

圖4.來自兩個***立設(shè)施的平均基線數(shù)據(jù)：植物A（前6個光譜）和植物B（后6個光譜）。每個工廠有18個相同的模型冷水機組。Plant B數(shù)據(jù)的運行速度反映了不同的平均運行速度（2,982 rpm），這反映了歐洲常見的50 Hz輸入線路頻率。這個平均值和平均加西格瑪數(shù)據(jù)來自自由端電機軸承。

抗摩擦軸承問題
軸承問題是振動分析程序診斷出的一些***常見的故障類型。在早期階段，有缺陷的軸承會產(chǎn)生振動分量，其頻率不是軸轉(zhuǎn)速的倍數(shù)。這些非同步頻率的精確值基于軸承幾何形狀。如果比賽和滾子尺寸已知，則可以計算它們。在實踐中，大多數(shù)設(shè)施工程師沒有記錄機械中軸承的制造商和型號，因此必須依靠其他方法來確定軸承頻率。用于確定軸承音頻率的近似值的一組規(guī)則如下：

球通過頻率外圈（BPFO）
=滾子數(shù)＃軸速度x 0.4

球通過頻率內(nèi)圈（BPFI）
=滾子數(shù)＃軸速度x 0.6

基本列車頻率（FTF）
=速度x 0.4 

冷水機制造商表示，這種情況下的滾珠軸承是SKF 7318.軸承表確認4.9xM和7.1xM分別是外球和內(nèi)球通過頻率。這些頻率表示為順序，其中后綴“xM”表示“乘以電機軸轉(zhuǎn)速”。從頻率和經(jīng)驗法則來看，很明顯這個軸承有12個滾動元件。

隨著這些球通頻率峰值的諧波（整數(shù)倍）出現(xiàn)在振動頻譜中，滾珠軸承磨損變得越來越明顯。根據(jù)缺陷的性質(zhì)，軸承音或其諧波周圍也可能存在***的1xM邊帶。極端軸承磨損在***范圍光譜中產(chǎn)生異常***的噪聲基底，在軸旋轉(zhuǎn)速率（70xM至100xM）的約70至100倍之間。

常用的診斷策略
在使用振動分析評估軸承磨損時，需要采用一致的方法來收集和分析數(shù)據(jù)。寬帶振動計通常直到后期階段才能檢測到軸承磨損。因此，維護技術(shù)人員幾乎沒有警告計劃維修，并且存在災(zāi)難性故障的風(fēng)險。依賴于諸如沖擊脈沖或超聲能量之類的***頻現(xiàn)象的診斷技術(shù)在軸承磨損的早期檢測中非常有效。然而，它們通常缺乏檢測在較低頻率下振動表現(xiàn)出來的許多機械故障的能力。使用相對驗收標(biāo)準(zhǔn)的三軸窄帶光譜分析可以準(zhǔn)確地提供軸承缺陷的早期預(yù)警。它還可用于診斷各種其他機械問題，如不平衡，不對中，葉輪間隙問題，松動和共振。在這種情況下，使用第三種技術(shù)。

分析所需的窄帶數(shù)據(jù)包括在軸承殼體的剛性部分上的單個點處測量的兩個頻率范圍的***分辨率（800線）三軸光譜數(shù)據(jù)。低頻數(shù)據(jù)通常為軸速的0到10階，其中基本軸承音很容易看到。***范圍數(shù)據(jù)通常為0到100個軸速度，其中可以看到軸承音諧波和***頻噪聲基底。雖然這對于單個位置來說似乎是一種過度的數(shù)據(jù)，但是安裝方法和條形碼允許簡單有效的數(shù)據(jù)收集。此外，在PC上處理數(shù)據(jù)是快速且自動的。

如大多數(shù)基本振動分析課程所述，軸承缺陷的窄帶故障模型包括以下四個條件：

1. 具有非同步基頻的諧波系列峰值。
2. （1）中任何峰值周圍的1xM和/或基本列車頻率（FTF）邊帶。
3. 增加了***頻噪聲基底的幅度。
4. 諧波系列軸轉(zhuǎn)動率過大引起軸承松動。

振動分析（人與計算機）
準(zhǔn)確診斷軸承缺陷所需的大量窄帶數(shù)據(jù)要求所有常規(guī)數(shù)據(jù)減少和邏輯功能都由具有專***系統(tǒng)的個人計算機完成。對于人類分析師來說，完成計算機可以在幾秒鐘內(nèi)完成的所有日常任務(wù)并非經(jīng)濟實惠。***步是相對于軸轉(zhuǎn)速對光譜進行歸一化。下一步是提取主要強迫頻率和測試數(shù)據(jù)中其他峰值的幅度。第三步是使用前面描述的故障模型來識別軸承缺陷的模式。***后一步是確定軸承缺陷的嚴(yán)重程度，因為模式存在。

用于識別故障及其嚴(yán)重性的專***系統(tǒng)邏輯是作為經(jīng)驗過程的一部分創(chuàng)建的，其中將大量機器上的自動診斷與振動專***在那些相同機器上進行的診斷進行比較。因此，專***邏輯規(guī)則反映了振動專***如何分析數(shù)據(jù)。因此，專***系統(tǒng)并不比創(chuàng)建它的振動分析師更好。由于前一段中概述的所有步驟都是常規(guī)和重復(fù)的，因此現(xiàn)代計算機可以在幾臺秒內(nèi)快速執(zhí)行所有四個分析步驟。然后專***系統(tǒng)為冷卻器電機軸承磨損生成基于文本的報告，如圖5所示。

圖5.冷凍機的計算機生成診斷結(jié)果4

手動檢查光譜數(shù)據(jù)
圖6顯示了3月25日在冷卻器4上收集的電機自由端數(shù)據(jù)。平均值+ Avg + sigma掩模（紅色）疊加用于比較。x軸以階數(shù)為單位進行縮放，其中階數(shù)“1”表示電動機的轉(zhuǎn)速。請注意軸向低范圍數(shù)據(jù)中突出的非同步峰值為4.9xM和7.1xM。這些峰值對應(yīng)于電機軸承的滾珠軸承通過頻率。在***范圍光譜中，諧波標(biāo)記被放置在諧波系列的每個峰上，間距為4.9xM。

注意，諧波系列在***范圍的所有三個軸上具有強振幅，而在低范圍數(shù)據(jù)中僅在軸向方向上突出。***頻噪聲底板與一個西格瑪面罩大致相同或更低，告訴我們軸承磨損不是接近故障點; 然而，強諧波系列意味著存在缺陷。

圖6.冷卻器4上電機自由端軸承的三軸振動頻譜。左邊的三個光譜是低范圍數(shù)據(jù)，右邊的三個光譜是***范圍數(shù)據(jù)。***范圍數(shù)據(jù)中標(biāo)記的峰值表示4.9xM間距，即BPFO諧波系列。

預(yù)測
毫無疑問是否存在軸承故障。機器操作員可以通過聲音和觸摸識別這種情況。一個更重要的問題是：這個軸承有多少剩余壽命？在趨勢發(fā)展并且有多個數(shù)據(jù)集可用之前，聰明的振動分析師不會得出結(jié)論。對于每個診斷，專***系統(tǒng)基于三件事計算嚴(yán)重性分?jǐn)?shù)。

1. 支持診斷的峰數(shù)。
2. （1）中每個峰值超過標(biāo)準(zhǔn)的量。
3. （1）中每個峰的絕對振幅。

嚴(yán)重程度評分的趨勢是機器健康狀況的良好指標(biāo)。對于每個診斷規(guī)則模板，嚴(yán)重性分?jǐn)?shù)將映射到嚴(yán)重性等級，包括輕微，中度，嚴(yán)重和極端。用于確定嚴(yán)重性的算法是基于由振動專***手動分析的大量測試結(jié)果針對每個診斷憑經(jīng)驗導(dǎo)出的。如果軸承磨損的指示（軸承音，諧波，邊帶和本底噪聲）隨著時間的推移而增加，專***系統(tǒng)將認識到這一事實，并且分配給軸承磨損診斷的嚴(yán)重性將增加。在趨勢圖（圖7）中，電機軸承磨損故障嚴(yán)重程度已經(jīng)趨于平穩(wěn)。

圖7.冷卻器4的專***系統(tǒng)趨勢圖

軸承的預(yù)期壽命主要取決于軸承的力，并且在過去一年中情況似乎并未惡化。振動分析提供了軸承狀況的可量化證據(jù)，并允許車主了解其機械狀況。隨著缺陷的惡化，軸承磨損缺陷圖案將變得更加突出。專***系統(tǒng)將通過為診斷分配更***的嚴(yán)重性來做出響應(yīng)。

冷水機組老板打電話給冷水機制造商的服務(wù)工程師測量振動。使用整體振動計，技術(shù)人員告訴車主，軸承沒有問題。冷卻器制造商規(guī)定總振動***大限制為0.25英寸/秒（峰值）。在這種情況下，整體水平可能低于限制。這突出了使用寬帶測量進行預(yù)測性維護的一個問題。

寬帶測量完全錯過了軸承磨損的跡象，因為寬帶測量主要對光譜中的******峰敏感。它沒有看到BPFO諧波系列。

結(jié)論
要從這臺機器中學(xué)習(xí)，并從軸承獲得***大的使用壽命，設(shè)施工程師必須密切監(jiān)控該機器，并將其數(shù)據(jù)與該型號冷水機組的平均值加一個標(biāo)準(zhǔn)偏差進行比較。專***系統(tǒng)嚴(yán)重性分?jǐn)?shù)是始終如一地趨勢軸承運行狀況的絕佳方法，因為它始終應(yīng)用相同的邏輯并查看數(shù)據(jù)中的許多功能。當(dāng)嚴(yán)重程度增加到極限水平并且訂購軸承更換時，軸承應(yīng)保存并切開以便檢查。可能那么，這個案例歷史將被認為是完整的。