狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在軋鋼機(jī)械中的應(yīng)用

李亞星

【摘 要】在鋼鐵生產(chǎn)中軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)屬于最關(guān)鍵產(chǎn)線(xiàn)，而軋鋼相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障都會(huì)導(dǎo)致整條產(chǎn)線(xiàn)停產(chǎn)，從而影響產(chǎn)量。軋鋼設(shè)備的核心部件主要包括：轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器、滑動(dòng)和滾動(dòng)軸承、齒輪等。通過(guò)長(zhǎng)期的觀察和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的絕大多數(shù)早期故障都會(huì)表現(xiàn)出異常振動(dòng)，因而掌握機(jī)械振動(dòng)的一般規(guī)律就可以從振動(dòng)信號(hào)中判斷出常見(jiàn)的機(jī)械故障。

【關(guān)鍵詞】狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷技術(shù)；軋鋼機(jī)械；應(yīng)用

1判斷軋鋼機(jī)械振動(dòng)故障的標(biāo)準(zhǔn)

滾動(dòng)機(jī)械振動(dòng)故障的主要判據(jù)可分為三類(lèi)，即相對(duì)失效判據(jù)、定量失效判據(jù)和故障類(lèi)比判定。實(shí)際上，需要結(jié)合許多因素來(lái)判斷故障的原因，如機(jī)械工作過(guò)程中狀態(tài)的突然變化。因此，在具體實(shí)施過(guò)程中，這項(xiàng)工作不僅非常復(fù)雜，而且存在一些困難?；诖耍谂袛嘬垯C(jī)振動(dòng)故障時(shí)，往往需要采用更為嚴(yán)格的判據(jù)進(jìn)行判斷，而更好的方法是以時(shí)間軸為基準(zhǔn)，進(jìn)行比較分析。在相同的測(cè)試位置下，我們可以得到更重要的數(shù)據(jù)，然后將其與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，軋機(jī)實(shí)際運(yùn)行存在故障。在診斷過(guò)程中，每一環(huán)節(jié)都需要嚴(yán)格的監(jiān)督和控制。只有這樣，我們才能準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)，并及時(shí)診斷故障的發(fā)生。這對(duì)于員工在最短的時(shí)間內(nèi)解決問(wèn)題，同時(shí)為員工爭(zhēng)取更多的時(shí)間解決問(wèn)題非常有幫助。

2設(shè)備測(cè)點(diǎn)的選擇

在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：1）每次數(shù)據(jù)采集時(shí)，機(jī)器的工作條件要一致，采集儀器和測(cè)量方法也要一致；在每次數(shù)據(jù)采集時(shí)同一地點(diǎn)，使得采集不會(huì)由于激勵(lì)源到測(cè)量點(diǎn)的不同傳遞函數(shù)而引起。結(jié)果是不同的；3）每個(gè)獲取的定義應(yīng)該是相同的。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)故障響應(yīng)頻率超過(guò)1000HZ的振動(dòng)進(jìn)行加速，對(duì)故障響應(yīng)頻率在100-1000HZ范圍內(nèi)的振動(dòng)進(jìn)行加速。采集數(shù)據(jù)參數(shù)應(yīng)基于速度，故障響應(yīng)頻率在10-100HZ范圍內(nèi)的振動(dòng)，采集次數(shù)。根據(jù)參數(shù)，位移是主要因素。

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，測(cè)量點(diǎn)的變化對(duì)軋制設(shè)備的監(jiān)測(cè)效果影響很大，因此應(yīng)注意測(cè)量點(diǎn)的選擇：1）測(cè)量點(diǎn)應(yīng)選在信號(hào)響應(yīng)中比較敏感的部位，如：機(jī)座和軸承座的支承面積；2）測(cè)量點(diǎn)應(yīng)位于振動(dòng)信號(hào)傳輸路徑的最短部分，以避免中間傳輸介質(zhì)。定性的外觀；3）應(yīng)強(qiáng)調(diào)測(cè)量點(diǎn)的方向性。一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)從三個(gè)方向選擇：垂直（V）、水平（H）和軸向（A）。對(duì)于某些低頻振動(dòng)，應(yīng)更準(zhǔn)確地選擇測(cè)量點(diǎn)的方向；4）軋機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備更易受到傳遞函數(shù)的影響，因此進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。在該過(guò)程中還需要多點(diǎn)檢測(cè)。

3常見(jiàn)故障及診斷方法

3.1旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子不平衡

轉(zhuǎn)子由于受到材料質(zhì)量、加工裝配、工作中多種因素的影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子中心線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)中心線(xiàn)之間存在一定的偏心距，使轉(zhuǎn)子在正常旋轉(zhuǎn)時(shí)受到一個(gè)周期性的離心力，同時(shí)在軸承上產(chǎn)生動(dòng)載荷，從而引起機(jī)器異常振動(dòng)的現(xiàn)象叫做旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子不平衡。通過(guò)對(duì)離心力的分析可以知道，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡的離心力隨轉(zhuǎn)速的變化而改變。因此轉(zhuǎn)子不平衡故障特征中剛性轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)振幅隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，而柔性轉(zhuǎn)子，它在啟動(dòng)時(shí)振幅是先增大后減小。具體在時(shí)域波形中主要表現(xiàn)為一系列規(guī)整的簡(jiǎn)諧波、毛刺少；在頻譜特征上主要表現(xiàn)為1倍頻峰值明顯；在振動(dòng)相位方面，水平和垂直方向的振動(dòng)相位差90°；在振幅特征上水平振幅比垂直大、徑向振幅比軸向要大。

3.2不對(duì)中故障特征

轉(zhuǎn)子的不對(duì)中指的是兩根相互耦合的軸，其中心線(xiàn)不重合，這也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一類(lèi)常見(jiàn)的典型故障，據(jù)統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械60%的故障是由轉(zhuǎn)子不對(duì)中引起的。把常見(jiàn)的不對(duì)中分為平行不對(duì)中和角度不對(duì)中。其產(chǎn)生的原因包括：初始安裝不對(duì)中、地基不均勻下沉、動(dòng)態(tài)對(duì)中不良、軸承間隙改變、基礎(chǔ)變形、、軸彎曲等。轉(zhuǎn)子不對(duì)中的故障特征：當(dāng)轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)會(huì)在軸上產(chǎn)生一個(gè)附加軸向振動(dòng)，因此把軸向振動(dòng)的增大看成轉(zhuǎn)子存在不對(duì)中明顯征兆；在頻譜特征方面：平行不對(duì)中主要在轉(zhuǎn)子的垂直和水平方向上產(chǎn)生較高幅值的1倍、2倍轉(zhuǎn)頻峰值，角度不對(duì)中則表現(xiàn)為同頻振動(dòng)較為突出，它們的共同點(diǎn)是以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻的2倍頻或4倍頻為主，而且常伴有高次倍頻。在振動(dòng)相位方面，平行不對(duì)中的轉(zhuǎn)子在兩根軸上的徑向振動(dòng)相位差180°，而角度不對(duì)中時(shí)聯(lián)軸器的軸向振動(dòng)相位差180°。

3.3機(jī)械松動(dòng)

松動(dòng)類(lèi)故障是軋鋼機(jī)械常見(jiàn)的故障之一，同時(shí)也是很難診斷出異常振動(dòng)具體部位的一類(lèi)故障，它在設(shè)備的基礎(chǔ)、支撐部位、機(jī)械部件、機(jī)殼等任何有連接件的部位都可能發(fā)生，而且松動(dòng)故障和不平衡故障常常同時(shí)發(fā)生。其中地腳松動(dòng)引起的振動(dòng)異常表現(xiàn)為在垂直方向的振幅大于水平方向振幅。而由零件配合松動(dòng)引起的振動(dòng)異常則表現(xiàn)為振幅隨著負(fù)荷的改變而變化，但其對(duì)轉(zhuǎn)速的改變沒(méi)有的明顯變化。在頻譜特征方面，除了1倍轉(zhuǎn)頻峰值明顯的外，轉(zhuǎn)頻的奇數(shù)倍頻會(huì)比較明顯（而且常高于轉(zhuǎn)頻的幅值），并伴有0.4倍轉(zhuǎn)頻左右分?jǐn)?shù)倍的諧波成分，頻譜成分呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

3.4滾動(dòng)軸承常見(jiàn)故障

滾動(dòng)軸承是軋鋼機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重要支撐部件，它可以提供旋轉(zhuǎn)部件穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)中心、徑向支撐及軸向位置。滾動(dòng)軸承包括軸承外圈、軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)體以及保持架。因?yàn)闈L動(dòng)軸承的每一個(gè)零件都存在各自的缺陷特征頻率，因此對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷主要通過(guò)頻譜變化。理論上，通過(guò)頻譜分析技術(shù)不僅能判斷軸承有無(wú)故障，還可以精確地判斷是軸承中哪一個(gè)零件存在損傷。

3.5齒輪箱的振動(dòng)特征及診斷

齒輪箱是軋制機(jī)械中常用的設(shè)備，是一種利用齒輪嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)。它的運(yùn)行直接影響整個(gè)機(jī)組的正常工作。在齒輪箱的各種常見(jiàn)故障中，最常見(jiàn)的是齒輪故障（斷齒、齒疲勞、生銹、齒磨損、劃傷等）。如果一對(duì)齒輪是理想的漸開(kāi)線(xiàn)形狀，并且齒輪的剛度是無(wú)限大的，那么齒輪在工作嚙合中不會(huì)振動(dòng)。然而，由于制造誤差、潤(rùn)滑、材料剛度等因素的影響，新齒輪在嚙合過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)。當(dāng)齒輪出現(xiàn)缺陷時(shí)，振幅增大，出現(xiàn)新的頻率分量。這些是齒輪缺陷的特征頻率。

齒輪的特征頻率主要包括齒輪嚙合頻率、齒輪固有頻率和側(cè)向頻帶。定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪嚙合頻率與行星齒輪傳動(dòng)的嚙合頻率相同。齒輪故障診斷最有效的方法是分析齒輪振動(dòng)頻譜的變化，然后進(jìn)行倒譜分析。齒輪故障診斷首先取決于嚙合頻率幅值，其次取決于嚙合頻率諧波，最后取決于側(cè)頻帶的組成。隨著齒輪故障的發(fā)展和振動(dòng)能量的增加，齒輪的側(cè)頻帶越來(lái)越豐富，振幅也越來(lái)越大（側(cè)頻分析通常首先需要細(xì)化頻譜）。

結(jié)論

隨著冶金行業(yè)的發(fā)展，軋鋼機(jī)械的自動(dòng)化程度已達(dá)到了一個(gè)較高的水平，其結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，而且實(shí)際運(yùn)行過(guò)程工況復(fù)雜，具有高溫、高壓、高速等特點(diǎn)。事后維修和計(jì)劃維修已經(jīng)很難滿(mǎn)足當(dāng)下生產(chǎn)對(duì)設(shè)備的需求，從經(jīng)濟(jì)以及維修價(jià)值等方面考慮預(yù)防性維修已經(jīng)成為了當(dāng)下冶金行業(yè)必須面臨的課題，以振動(dòng)分析為基礎(chǔ)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，其在冶金行業(yè)中的各類(lèi)風(fēng)機(jī)、主電機(jī)、軋機(jī)齒輪箱、齒輪機(jī)座等設(shè)備上都表現(xiàn)出了非常好的實(shí)際應(yīng)用效果。

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（作者單位：中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司）