軋鋼機(jī)械振動故障的分析及診斷

黃忠念

（南京瑪格耐特智能科技有限公司，江蘇南京 210035）

1 軋鋼機(jī)械設(shè)備的振動故障分類和原因分析

軋鋼機(jī)械設(shè)備的振動故障類型和原因均較多，根據(jù)振動故障類型和原因，可以分為以下4 種常見的類型：

1.1 轉(zhuǎn)子異常振動

轉(zhuǎn)子異常振動主要包括裝配質(zhì)量不過關(guān)和轉(zhuǎn)軸彎曲。在軋鋼機(jī)械設(shè)備中如果沒有合理裝配轉(zhuǎn)子，會發(fā)生轉(zhuǎn)子異常振動，造成設(shè)備負(fù)荷情況和設(shè)備工作溫度特別是軸承溫度無法保持穩(wěn)定，最終出現(xiàn)轉(zhuǎn)子異常振動進(jìn)一步加劇的現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至?xí)T發(fā)連接松動和脫落等問題，轉(zhuǎn)子松動會進(jìn)一步影響轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的還會損傷轉(zhuǎn)子和軸承，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生損傷后，頻率難以維持穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備損壞。轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量不過關(guān)容易發(fā)生在每次大修后的試運(yùn)轉(zhuǎn)階段。轉(zhuǎn)軸彎曲也會造成轉(zhuǎn)子異常振動。軋機(jī)的各級轉(zhuǎn)軸的受力較大，沖擊載荷也很大，容易過載造成彎曲，轉(zhuǎn)軸彎曲后也會造成轉(zhuǎn)子異常振動。轉(zhuǎn)軸彎曲容易發(fā)生在停機(jī)待用期間。

1.2 電氣故障引起的電機(jī)振動

電機(jī)各相電流嚴(yán)重不平衡、轉(zhuǎn)子條松動和定子線圈松動等電氣原因都可能引起電機(jī)的振動。電氣故障除了引起電機(jī)振動，一般還伴隨著電機(jī)發(fā)熱增大和工作溫度升高，進(jìn)一步惡化電氣故障，引起更嚴(yán)重的電氣事故甚至造成電機(jī)燒壞。

1.3 齒輪機(jī)械振動

作為重型工業(yè)設(shè)備，軋鋼機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中需要承受較大的壓力，齒輪的受力較大且載荷沖擊嚴(yán)重，久而久之發(fā)生齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕甚至斷齒的情況。上述問題會造成機(jī)械設(shè)備振動異常，進(jìn)而影響齒輪的使用壽命和使用效果，最終對軋鋼機(jī)械設(shè)備整體運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。

1.4 滾動軸承振動

在軋鋼機(jī)械設(shè)備中，滾動軸承也是構(gòu)成設(shè)備的主要部件，滾動軸承振動現(xiàn)象主要是由于過大的沖擊載荷造成軸承的局部沖擊點(diǎn)蝕和軸承游隙加大造成的，最終導(dǎo)致出現(xiàn)振動異常問題。

2 振動異常判斷標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)踐中，按照相對判斷、類比判斷和定量判斷3 類標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)判斷軋鋼機(jī)械振動故障。通過這3 種方法能夠在實(shí)際操作中高效地判斷機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和突變等情況。

相對判斷主要采用時間軸作為判斷的基礎(chǔ)和參照。一般以集中控制系統(tǒng)在線監(jiān)測的振動值的變化趨勢為基礎(chǔ)，結(jié)合振動值升高的速度和突變速度進(jìn)行診斷。相對判斷可以用來判斷齒輪磨損和軸承磨損等不斷積累的故障，適合對保養(yǎng)過程的故障趨勢進(jìn)行預(yù)測和提前預(yù)防。

類比判斷主要采用相同或相似的振動值和振動頻譜為基礎(chǔ)來進(jìn)行對比分析。一般以測振儀測出的振動位移、振動速度、振動加速度和振動頻譜作為依據(jù)，對比振動值的大小和頻譜成分。類比判斷適合進(jìn)行設(shè)備制造質(zhì)量優(yōu)劣判斷和運(yùn)行過程造成的故障部位進(jìn)行精確定位。

定量判斷主要采用測定的設(shè)備振動值和頻譜自身的量進(jìn)行分析。一般與振動標(biāo)準(zhǔn)推薦值進(jìn)行對比。定量判斷適合判斷齒輪斷裂、軸斷裂和軸彎曲等突發(fā)故障。

此外，還可以借助自動化診斷系統(tǒng)，積極應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障的快速定位。工作人員在實(shí)際工作中需要在復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中客觀科學(xué)地判斷、查找故障位置，結(jié)合實(shí)際情況，多種判斷方法進(jìn)行綜合，判斷軋鋼機(jī)械設(shè)備的振動故障位置。在此基礎(chǔ)上，工作人員要在嚴(yán)格的評判標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下對軋鋼機(jī)械設(shè)備振動故障展開判斷分析，量化判斷故障問題。

3 軋鋼機(jī)械振動故障診斷方法

3.1 定量分析法

很多設(shè)備僅從振動值本身難以判斷振動原因和振動部位，只能判斷振動是否異常。實(shí)際中，定量分析法往往和分步測量法一起使用進(jìn)行判斷。分步測量法即對電機(jī)、減速機(jī)和軋機(jī)共同連接的設(shè)備，依次脫開軋機(jī)、減速機(jī)和電機(jī)連接的聯(lián)軸器，分別三機(jī)同時轉(zhuǎn)動和兩機(jī)轉(zhuǎn)動。

表1 所示為某套軋機(jī)的定量分析測試數(shù)據(jù)。通過振動對比可發(fā)現(xiàn)，電機(jī)與減速機(jī)雙機(jī)聯(lián)機(jī)時振動正常，電機(jī)、減速機(jī)和軋機(jī)三機(jī)聯(lián)機(jī)運(yùn)行時所有設(shè)備振動均大幅增大，說明振動由軋機(jī)的工作異常造成。

表1 軋機(jī)定量分析振動數(shù)據(jù)

3.2 趨勢圖法

趨勢圖法是以在線監(jiān)測的振動數(shù)據(jù)或定期測量的振動值為基礎(chǔ)，以時間為橫坐標(biāo)，以振動值為縱坐標(biāo)，畫出一臺或若干臺軋機(jī)的振動的變化趨勢圖或取出監(jiān)控系統(tǒng)自動生成的趨勢圖，進(jìn)行振動診斷的方法。圖1 是某鋼鐵企業(yè)3 臺不同軋機(jī)2019 年4 月1 日至2020 年9 月1 日的振動速度趨勢圖，從振動速度趨勢圖可發(fā)現(xiàn)，軋機(jī)1 在整個測定周期一直在使用，前6 個月時間振動速度基本穩(wěn)定，從第6 個月到第12 個月之間振動緩慢升高，第12 個月升高至5.6 mm/s 左右之后升高速度放緩。據(jù)此判斷該軋機(jī)應(yīng)為軸承或齒輪磨損。軋機(jī)2 前13 個月振動速度基本穩(wěn)定，第14 個月振動突然躍升至2.6 mm/s，在第16 個月再次躍升至9.3 mm/s，遂停機(jī)檢修，發(fā)現(xiàn)其中兩個傳動齒輪齒根已經(jīng)斷裂，在嚙合方向已經(jīng)變形分別達(dá)3.2 mm 和1.5 mm。結(jié)合上述情況可以判斷，兩次振動速度的躍升為兩個齒輪的斷裂所引起，更換齒輪后，振動速度與原設(shè)備基本相近。軋機(jī)3 前4 個月振動保持在2.6 mm/s 左右基本不變，第5 和第7 個月停機(jī)2個月，開機(jī)后振動升至4.3 mm/s，隨后幾個月振動速度略有下降，最終維持在4.1 mm/s，據(jù)此判斷軋機(jī)3 的振動原因極大可能是停機(jī)期間軸系單側(cè)受力造成軸彎曲造成的。

圖1 軋機(jī)振動速度趨勢

3.3 頻譜分析法

頻譜分析法是將復(fù)雜的振動解析為不同頻率對應(yīng)的振動的分析方法。很多設(shè)備僅看振動值很難判斷故障的具體部位。由于在同一轉(zhuǎn)速條件下不同的部位轉(zhuǎn)速和基準(zhǔn)頻率不同，因此頻譜分析法可以定位到具體的部位和機(jī)構(gòu)。圖2 為某軋機(jī)振動速度頻譜，從頻譜圖可發(fā)現(xiàn)，軋機(jī)的電機(jī)的振動，從振動頻譜上可以發(fā)現(xiàn)，除了有電機(jī)的自身旋轉(zhuǎn)頻率之外，還有減速機(jī)兩級齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率，且減速機(jī)兩級齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率對振動速度總值的貢獻(xiàn)高于自身旋轉(zhuǎn)頻率。說明電機(jī)振動高的原因是減速機(jī)的振動傳遞。

圖2 某軋機(jī)電機(jī)振動速度頻譜

除了上述常用的振動診斷方法外，還有軸心軌跡法和包絡(luò)分析法等振動診斷方法，分別對動平衡和軸承故障有一定的參考意義。

4 設(shè)備振動的管理和維護(hù)

4.1 控制好設(shè)備的零件及安裝精度

在設(shè)計加工機(jī)械設(shè)備過程中應(yīng)當(dāng)尊重實(shí)際需求，做好每個零部件的設(shè)計和加工，然后在具體施工中堅持以圖紙內(nèi)容為依據(jù)進(jìn)行加工。當(dāng)所有加工工作結(jié)束后可以裝配軋鋼機(jī)械設(shè)備，對各個環(huán)節(jié)的精密度加強(qiáng)控制，保證精確地安裝好各個零部件，避免發(fā)生安裝失誤、順序錯亂等問題，保證裝配精度和裝配質(zhì)量。

4.2 對設(shè)備中的重要零件狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測

可以利用傳感器等監(jiān)測重要軋鋼機(jī)械設(shè)備的振動情況，比如在設(shè)備終端執(zhí)行件、減速機(jī)和軸承安裝位置等各處安裝監(jiān)測設(shè)備，保證第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)備的振動異常情況并且及時采取處理措施，避免產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。在安裝好監(jiān)測設(shè)備后可以對正常運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)下的振動情況實(shí)時監(jiān)測，由傳感器將測量的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊锌刂葡到y(tǒng)，若出現(xiàn)異常振動由控制軟件給工作人員提示，讓工作人員根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對具體振動情況進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)振動源高效快速、準(zhǔn)確地定位，采取有效的控制振動的措施。

4.3 做好定期維護(hù)工作

在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要定期維護(hù)和跟蹤軋鋼機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這和定期維護(hù)修理有著異曲同工之處，主要是優(yōu)化升級軋鋼機(jī)械設(shè)備，保證機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)始終維持在良好狀態(tài)。通過定期維護(hù)軋鋼機(jī)械設(shè)備可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的問題并且快速采取解決辦法，同時定期維護(hù)能夠達(dá)到預(yù)防設(shè)備發(fā)生故障的效果，提升機(jī)械設(shè)備運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，將發(fā)生問題的概率大大降低。合理的開展定期養(yǎng)護(hù)能夠延長設(shè)備使用壽命，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化。

相關(guān)維護(hù)人員和管理人員在實(shí)際開展軋鋼機(jī)械設(shè)備維護(hù)管理工作時，需要定期維護(hù)，將周期性維護(hù)的方案落到實(shí)處，同時靈活調(diào)整維護(hù)方案，根據(jù)實(shí)際操作情況做好設(shè)備常規(guī)檢測。如果設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)了意外情況，可以臨時指定維護(hù)方案處理未預(yù)見的問題。同時工作人員要注意密切關(guān)注和維護(hù)容易發(fā)生故障的設(shè)備部位，保證能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地獲取設(shè)備的信息。對于高精密度的設(shè)備，維護(hù)人員要對多方面的影響因素加強(qiáng)考慮分析，尤其是溫濕度這些難以控制的因素，避免溫濕度對設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。在維護(hù)軋鋼機(jī)械設(shè)備過程中需要合理地控制周圍的環(huán)境，然后根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、堅持加工質(zhì)量為前提維護(hù)設(shè)備各個部件。同時維修人員還要不定期地開展軋鋼機(jī)械設(shè)備的巡視維護(hù)，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)加強(qiáng)關(guān)注，做好維修方法和計劃的制定，加強(qiáng)維修結(jié)果的綜合分析。

5 結(jié)語

在軋鋼生產(chǎn)過程當(dāng)中，要對軋機(jī)的振動引起高度關(guān)注和重視，要客觀、全面的分析其振動原因，做出準(zhǔn)確的振動故障判斷，并采取針對性的處理措施，以提高軋鋼機(jī)械運(yùn)行的穩(wěn)定性，確保軋鋼生產(chǎn)的質(zhì)量、效率和安全性。