應(yīng)力波技術(shù)在軋機(jī)機(jī)組機(jī)械故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用研究

李洪元，高 帆

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

0 引言

軋機(jī)是冶金行業(yè)一種常用的金屬加工設(shè)備，軋機(jī)生產(chǎn)線中任何一臺(tái)設(shè)備故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)，都會(huì)造成整個(gè)生產(chǎn)線的癱瘓，直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。由于軋機(jī)工況復(fù)雜，轉(zhuǎn)速持續(xù)變化且軋鋼時(shí)間短，一般的故障監(jiān)測(cè)手段容易受到工況的影響而采集到較多的干擾信號(hào)，造成故障分析困難，使用效果較差[1-2]。軋機(jī)減速機(jī)是軋機(jī)機(jī)組的重要設(shè)備，減速機(jī)一旦損壞，軋機(jī)將失去動(dòng)力不能運(yùn)行。軋機(jī)機(jī)組迫切需要一種可以過(guò)濾低頻干擾信號(hào)的故障監(jiān)測(cè)手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)消除故障影響，為生產(chǎn)保駕護(hù)航。實(shí)踐證明，應(yīng)力波技術(shù)可以自動(dòng)過(guò)濾干擾信號(hào)，反映設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件的真實(shí)故障情況。

1 應(yīng)力波的來(lái)源和特點(diǎn)

應(yīng)力波是自然界中的一種固有的彈性波，可以在固體、流體、空氣中傳播，但當(dāng)使用應(yīng)力波技術(shù)檢測(cè)機(jī)械部件的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和受力時(shí)，研究在固體中傳播的應(yīng)力波。彈性固體質(zhì)點(diǎn)間因內(nèi)聚力緊密聯(lián)系，任何質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)都會(huì)引發(fā)其他相鄰質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，進(jìn)而形成波動(dòng)，這種振動(dòng)的傳播稱為應(yīng)力波。因質(zhì)點(diǎn)可以同時(shí)帶動(dòng)周圍質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，所以應(yīng)力波傳播沒有方向性，是向四周放射形傳播。應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動(dòng)的傳播形式。應(yīng)力波技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于樹木測(cè)損、管道測(cè)漏、地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)零部件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在零部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有摩擦和沖擊事件發(fā)生，沖擊和摩擦事件中微小顆粒的相互碰撞產(chǎn)生應(yīng)力波。一個(gè)健康的設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。應(yīng)力波是一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)，沒有幅值相對(duì)較大的信號(hào)產(chǎn)生。但是當(dāng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)力波傳播的信號(hào)幅值將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，找到應(yīng)力波變化與機(jī)械故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行分析和診斷。因?yàn)閼?yīng)力波信號(hào)直接來(lái)源于運(yùn)動(dòng)部件本身，所以能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備本身的超早期故障，且通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠反映設(shè)備故障的劣化趨勢(shì)，使設(shè)備管理者能夠`根據(jù)故障發(fā)展趨勢(shì)，提前準(zhǔn)備備品備件和制定維修方案。

1.1 應(yīng)力波系統(tǒng)特點(diǎn)和工作原理

應(yīng)力波系統(tǒng)由應(yīng)力波傳感器、數(shù)據(jù)采集箱和分析軟件三部分組成。傳感器采集應(yīng)力波信號(hào)后由采集箱進(jìn)行信號(hào)處理，然后將處理好的數(shù)字信號(hào)傳送給裝在服務(wù)器上的分析軟件作進(jìn)一步分析處理。應(yīng)力波系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測(cè)設(shè)備全生命周期的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)最早期的軸承、齒輪等運(yùn)動(dòng)部件的故障，而且對(duì)于滾動(dòng)軸承，可以精確定位到內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架，且能鑒別復(fù)雜故障。應(yīng)力波原理經(jīng)過(guò)多年的研究，目前可以應(yīng)用在冶金、建材、電力、石化、裝備制造等行業(yè)，且多應(yīng)用在關(guān)鍵設(shè)備關(guān)鍵部件的健康監(jiān)測(cè)當(dāng)中，并發(fā)揮了較大作用，給企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 應(yīng)力波分析工具

應(yīng)力波技術(shù)分析工具有四種，分別為應(yīng)力波能量圖、時(shí)域圖、直方圖和頻譜圖。能量圖可以反映設(shè)備的整體運(yùn)行狀態(tài)及故障裂化的趨勢(shì)，甚至是設(shè)備檢維修的效果。時(shí)域圖可以看出設(shè)備是否有沖擊事件發(fā)生。直方圖可以量化設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定程度，是否有大量隨機(jī)事件的發(fā)生，是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的一種隨機(jī)事件量化工具。頻譜圖是將應(yīng)力波一段時(shí)間的時(shí)域信號(hào)作傅里葉變換，得到設(shè)備周期性的故障信號(hào)。通過(guò)計(jì)算各個(gè)零部件的故障頻率，可以準(zhǔn)確找到故障的發(fā)生位置，使每次的檢修更有針對(duì)性。這也使故障診斷本身更有意義。

2 軋機(jī)減速機(jī)軸承故障類型

軋機(jī)減速機(jī)由軸承、齒輪和軸三大部件組成，任何一個(gè)部件的損壞都有可能造成設(shè)備的報(bào)廢甚至發(fā)生事故，如軸承的內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動(dòng)體損失、保持架故障，齒輪的嚙合不良、斷齒、齒面膠合、齒面點(diǎn)蝕等故障，軸的不平衡、不對(duì)中、彎曲等故障。其中，軸承發(fā)生故障的幾率高，也容易引發(fā)設(shè)備停機(jī)。軸承的故障可以細(xì)分為下列幾種。

①疲勞點(diǎn)蝕。

軸承受交變載荷或者循環(huán)載荷時(shí)，造成軸承內(nèi)部某個(gè)接觸點(diǎn)出現(xiàn)疲勞損壞，進(jìn)而發(fā)展成裂紋。當(dāng)裂紋閉合后，造成材料的片狀脫落，軸承滾動(dòng)體與軸承內(nèi)圈或者外圈相互作用，易形成點(diǎn)蝕。

②磨損。

軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)有摩擦事件產(chǎn)生發(fā)生零件表面磨損，當(dāng)軸承安裝不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、潤(rùn)滑油污染時(shí)，會(huì)使磨損加劇，導(dǎo)致軸承過(guò)熱、軸承游隙變大、軸承加速損壞等后果。通過(guò)分析潤(rùn)滑油中的污染物，可以間接反映設(shè)備的磨損情況。但其只是定性分析，且離線分析，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

③銹蝕。

當(dāng)軸承密封不良或者有水分進(jìn)入軸承時(shí)，會(huì)造成軸承化學(xué)腐蝕；另外，某些設(shè)備接地不良時(shí)還會(huì)發(fā)生電蝕，電流通過(guò)軸承滾動(dòng)體潤(rùn)滑油膜時(shí)發(fā)出火花，造成滾動(dòng)體滾道出現(xiàn)局部地熔融和凹凸現(xiàn)象[3]。

④膠合。

軸承在高速重載、潤(rùn)滑不良、高溫環(huán)境下運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)軸承金屬熔焊現(xiàn)象。由于設(shè)備在不斷運(yùn)行，軸承膠合后又被沖開，然后又膠合，再?zèng)_開，造成滾道出現(xiàn)較大脫落或者異物，對(duì)軸承造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。

⑤保持架故障。

軸承保持架是軸承的關(guān)鍵且易損部件，保持架一旦失去其功能，軸承將面臨報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，保持架故障包括保持架兜孔的磨損、保持架變形、保持架斷裂等。保持架發(fā)生故障時(shí)，其本身的故障很難檢測(cè)，但可以在與其配合的部件上體現(xiàn)[4]。比如當(dāng)保持架窗梁斷裂時(shí)，滾動(dòng)體失去原有的運(yùn)動(dòng)位置，滾動(dòng)體亂序劇烈摩擦，造成軸承超溫和其他故障的惡化。

3 設(shè)備故障診斷流程

軸承在發(fā)生故障后，故障一定會(huì)造成設(shè)備運(yùn)行狀況的不斷惡化。軸承座附近出現(xiàn)噪聲時(shí)，會(huì)引起設(shè)備管理人員的注意。設(shè)備管理人員根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)聽針或者手持式的振動(dòng)檢測(cè)儀，分析故障的位置和原因，這并不是不能實(shí)現(xiàn)。但是這種處理方式嚴(yán)重依賴于設(shè)備管理者的工作經(jīng)驗(yàn)，且容易誤診、漏診，設(shè)備管理者亟需一種實(shí)時(shí)在線的智能分析系統(tǒng)來(lái)減輕設(shè)備健康診斷工作的負(fù)擔(dān)[5]。

3.1 應(yīng)力波系統(tǒng)故障診斷流程

應(yīng)力波故障診斷流程如圖1所示。

圖1 應(yīng)力波故障診斷流程圖

通過(guò)分析應(yīng)力波傳感器采集設(shè)備的應(yīng)力波信號(hào)，結(jié)合設(shè)備轉(zhuǎn)速、負(fù)載等運(yùn)行參數(shù)，判斷應(yīng)力波信號(hào)變化的原因。然后從采集的應(yīng)力波信號(hào)中提取設(shè)備的故障信息，包括設(shè)備故障頻譜、設(shè)備隨機(jī)事件發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備實(shí)域沖擊信號(hào)等。將應(yīng)力波信號(hào)中的實(shí)際值與設(shè)備知識(shí)庫(kù)中的理論值進(jìn)行比對(duì)，分析得到故障的位置和故障類型。如果系統(tǒng)自動(dòng)分析存在不確定因素或者無(wú)法得出結(jié)論，由工程師進(jìn)行后臺(tái)分析，去除干擾因素，結(jié)合對(duì)設(shè)備以往的運(yùn)行狀態(tài)的了解，確定最終的結(jié)論。跟蹤設(shè)備檢修進(jìn)度，完善設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)，提高設(shè)備的自動(dòng)診斷能力，逐漸實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能診斷。

3.2 軸承故障頻率計(jì)算

軸承的故障頻率可以在得知軸承詳細(xì)參數(shù)后，通過(guò)公式計(jì)算，得到軸承組成部件各自的故障頻率[6]；對(duì)于國(guó)外進(jìn)口軸承，如SKF、NSK、FAG等品牌軸承，可以在其官網(wǎng)中查詢其通過(guò)試驗(yàn)得到的軸承故障頻率。

軸承的故障可按下列公式計(jì)算(假定外環(huán)不動(dòng))。

軸承內(nèi)圈故障頻率：

(1)

軸承外圈故障頻率：

(2)

軸承滾動(dòng)體故障頻率：

(3)

式中：D為軸承節(jié)圓直徑；d為滾動(dòng)體直徑；a為壓力角(弧度)；n為軸的轉(zhuǎn)速；N為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)。

4 故障診斷案例

某公司一煉軋廠精軋機(jī)組減速機(jī)頻繁出現(xiàn)軸承故障問題，使用應(yīng)力波技術(shù)產(chǎn)品對(duì)該企業(yè)的F1～F7共7架精軋機(jī)組進(jìn)行了應(yīng)力波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)觀察和分析，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)機(jī)械故障問題。經(jīng)開蓋驗(yàn)證，檢修結(jié)果均與分析結(jié)果吻合。

4.1 設(shè)備基本情況

軋機(jī)減速機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軋機(jī)減速機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

該減速機(jī)采用單級(jí)圓柱斜齒輪減速，減速比為5.4。F1減速機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 F1減速機(jī)基本參數(shù)

根據(jù)軸承參數(shù)，使用式(1)～式(3)進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合軸承官網(wǎng)提供的軸承信息，得到如表2所示的F1機(jī)架減速機(jī)故障頻率表，供故障分析定位使用。

表2 F1機(jī)架減速機(jī)故障頻率表

4.2 應(yīng)力波監(jiān)測(cè)情況

應(yīng)力波監(jiān)測(cè)表明，7機(jī)架精軋機(jī)組減速機(jī)高速軸時(shí)域信號(hào)圖中有明顯沖擊事件發(fā)生，尤其在0.2 s和0.4 s附近時(shí)有較大電壓值。F1機(jī)架減速機(jī)高速軸時(shí)域如圖3所示。圖3表明此時(shí)有較大沖擊，但是這并不意味著設(shè)備一定有明顯故障，需借助其他分析工具一起分析。頻域圖中發(fā)現(xiàn)有明顯的故障頻譜，頻率值為28 Hz，且存在倍頻。

圖3 F1機(jī)架減速機(jī)高速軸時(shí)域圖

F1機(jī)架減速機(jī)高速軸頻譜如圖4所示。該時(shí)刻高速軸轉(zhuǎn)速為72 r/min，331 854/HA1軸承故障頻率在外圈固定、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下各部件故障頻率。

圖4 F1機(jī)架減速機(jī)高速軸頻譜

計(jì)算得到高速軸軸頻為1.20 Hz，低速軸軸頻為0.22 Hz，齒輪嚙合頻率為25.20 Hz。對(duì)照表2軸承各部件故障頻率可以發(fā)現(xiàn)：28 Hz對(duì)應(yīng)高速軸操作側(cè)軸承滾動(dòng)體的兩倍頻，系統(tǒng)自動(dòng)診斷為滾動(dòng)體故障。但人工分析知，滾動(dòng)體故障頻率的倍頻不是一直保持不變，再加上軸承溫度升高，表明滾動(dòng)體已經(jīng)發(fā)生了亂序，滾動(dòng)體相互擠壓發(fā)生了劇烈摩擦。同時(shí)，考慮到滾動(dòng)體發(fā)生故障時(shí)多數(shù)伴隨軸承保持架的故障，且保持架故障不易發(fā)現(xiàn)，所以確定結(jié)論為該軸承滾動(dòng)體發(fā)生故障，且極有可能保持架窗梁已經(jīng)斷裂，引起滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)時(shí)相互干涉。因此，建議立即對(duì)高速軸操作側(cè)軸承進(jìn)行開蓋檢查。

開蓋后發(fā)現(xiàn)，減速機(jī)高速軸軸承保持架窗梁斷裂，滾動(dòng)體失去原有確定的運(yùn)動(dòng)位置，相互擠壓干涉，且滾動(dòng)體發(fā)生不同程度的磨損。該結(jié)論與人工分析結(jié)論吻合。通過(guò)修正和完善設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)，系統(tǒng)自動(dòng)診斷能力得到提升，并在后來(lái)的一個(gè)月內(nèi)發(fā)現(xiàn)了F4和F5減速機(jī)軸承保持架的類似故障，為7架軋機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際案例證明，應(yīng)力波可以作為一種有效的技術(shù)手段，應(yīng)用于軋機(jī)的在線故障診斷，且系統(tǒng)的自動(dòng)診斷和系統(tǒng)故障知識(shí)庫(kù)的不斷學(xué)習(xí)完善是該技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。對(duì)于在復(fù)雜工況中運(yùn)行的設(shè)備，人工分析和系統(tǒng)智能診斷有機(jī)結(jié)合，能夠顯著提高工作效率和診斷效果。但是，發(fā)現(xiàn)和定位故障不是設(shè)備管理的最終目的。不管是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配制造，還是設(shè)備工況及生產(chǎn)線工藝，都是影響設(shè)備使用壽命的重要因素。找到造成設(shè)備故障的根本原因，并利用有效的技術(shù)手段在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)后，將定期和被動(dòng)維修模式轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測(cè)維修甚至是主動(dòng)維修模式，從而最大程度上延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，才能保證生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的最終目的。