軋輥軸承故障預警程序的應用

摘 要：軋輥軸承高溫對于高速軋機尤其是使用油基乳化液的高速軋機來說會產生非常嚴重的后果，它可能會造成設備的長時間停機，以及因停產及備件更換、維修等原因造成的設備利用率降低，并帶來大量經濟損失，嚴重的軸承故障甚至會導致火災使設備報廢。因此，針對軋輥軸承高溫建立一套良好的預防控制流程是十分必要的。文章將針對因軋輥軸承故障而引起的軋輥異常高溫及由此所引發的事故進行分析，并嘗試對此問題提出實際有效的自動控制應用解決方案。

關鍵詞：軸承高溫；PLC；溫度

軋輥軸承高溫對于高速軋機尤其是使用油基乳化液的高速軋機來說會產生非常嚴重的后果。當設備高速運行時，如果軸承發生故障后沒有被及時發現，軸承就會由于機械磨損而導致快速溫升和異常高溫。高溫會使軸承損壞，并造成設備的長時間停機，以及備件更換、維修等原因造成的設備利用率降低和大量經濟損失。嚴重的軸承故障高溫甚至會導致火災使設備報廢。

為此，在軋機控制中對軋輥軸承溫度的控制是很重要的一個方面。例如，在某軋機的軋輥溫度控制系統中，軋機運行后軸承溫度為65℃時顯示溫度報警，當軸承溫度為85℃時軋機進入停車程序，軋機停車后軸承溫度高于70℃不允許再次運行。但此類溫度控制方式通常只是在軸承故障發生以后將設備自動停車，此時軸承可能已經損壞，并不能及時準確的對軸承高溫進行有效的預防。下面將針對高速軸承故障高溫的預防進行進一步分析。

1 軸承故障溫度及溫升曲線分析

在很多情況下，軸承是在溫度較低時發生故障，此后由于軸承帶故障持續高速運行，軸承溫度快速上升直至設備進入停車程序。軸承溫度在停車后會保持一段時間的持續溫升至更高溫度，此時軸承可能因長時間故障運行及高溫而完全損毀，并且火災風險隨著溫度的上升而增加。如果能夠在軸承完全損毀前或故障軸承溫度較低的情況下將設備停車，然后對軸承進行檢查、處理，這樣就有可能避免軸承的完全損壞并將損失降至最低。

下面將結合某軋機上的工作輥操作側軸承在發生故障時的溫度變化數據，對軸承溫度變化情況進行分析說明：

在圖1中兩條曲線分別為同一工作輥操作側及驅動側軸承在設備運行時溫度變化曲線。曲線下方的數值是當其中一個軸承發生異常故障時兩個軸承的工作溫度在相同10s內連續變化的時間點及其對應溫度。從圖中的溫度變化曲線可以看到，當軸承出現工作狀態異常時，軸承工作溫度會迅速升高。

圖2為兩軸承同一時間段連續10秒工作溫度變化圖。由此溫升曲線圖可以看出，正常工作溫升曲線變化率約為0.01℃/2s，而異常工作溫升曲線變化率約為0.1℃/2s，兩種狀態下的溫升變化率大約相差10倍，并且這種異常溫升斜率在設備運行時可以持續數分鐘。

在對軸承故障過程中的溫度變化進行分析后可以看出，當軸承發生故障后，軸承工作溫度達到最高溫度前將有一段異常溫升變化率比正常工作時的溫升變化率高數倍。通過多次對軸承故障時軸承溫度記錄曲線的分析、整理與計算，從中篩選出軸承故障時的溫升變化率（d℃/dt-即溫度隨時間的變化率）。從沒有損壞軸承的正常工作溫度曲線中，篩選出溫升較快的溫升變化率（d℃/dt），然后將兩個溫升變化率進行比較，選擇一個適當的數值用于高溫預警程序對軸承故障做出提前判斷。

在軸承異常溫度記錄曲線中還可以看到，當設備運轉一段時間后，在劇烈溫升變化前有一個明顯高于正常工作溫度的異常溫升“起始溫度”。此“起始溫度”說明，當軸承工作過程中接近或達到此溫度時，軸承開始出現工作異常，工作性能下降，軸承損壞可能性增加。同時，通過對不同運行速度、運行時間等工況下的軸承溫升曲線進行比對分析后可以知道。各個軸承故障前的“起始溫度”差異較大，但同一軸承在相近工況條件下，“起始溫度”較為固定。因此，需要針對每一軸承的日常工況制定相應的溫度。并將此溫度作為軸承故障預警程序的另一個停車條件。

2 軸承故障控制程序設計

根據實際溫度曲線的數據分析結果，利用PLC對軸承溫度的實時采集、判斷。在PLC控制程序中添加一段溫度判斷-預警-控制程序，專門應用于軸承故障的預防。這樣就可以有效減小因軸承故障而造成的設備損失，使設備能夠在發生嚴重故障前進行有效的預警。

基于溫升曲線分析，并對大量的軸承溫升曲線變化率及軸承故障劇烈溫升前的溫度統計、歸納總結后，將設備運行時的軸承溫升變化率預警值定為0.08℃/2s，軸承劇烈溫升前的“起始溫度”設定為55℃。停車控制方式可分為以下三種：

停車控制方式1：在設備運行過程中，當監控程序監測到的軸承溫度上升至55℃及以上時，溫度控制程序被激活。如果軸承工作溫度達到55℃并在連續6s內溫升變化率達到或超過0.08℃/2s，溫度控制程序將自動轉入正常停車程序，同時在主操作畫面出現報警信息說明停車原因。

停車控制方式2：如果溫升變化率小于程序設定的預警值，溫度監控程序將對持續采集的溫度信號進行比對，并判斷軸承溫度是否達到或超過65℃。當設備運行過程中軸承溫度達到或超過65℃時，PLC溫度預警程序將觸發溫度報警信息并顯示在主操作畫面中。此后，若軸承的溫升變化率連續6s達到或超過0.08℃/2s，溫度控制程序也將自動轉入正常停車程序，同時在主操作畫面顯示報警信息。

停車控制方式3：如果在設備運行過程中，溫升變化率持續低于設定值，并且設備連續運行使軸承溫度持續升高，當軸承溫度升至85℃時設備進入停車程序，停車后如果軸承溫度高于70℃，則不允許設備再次啟動運行。

另外，在程序中還設計了可以直接觀察到每2s軸承溫度變化值的部分。這樣可以更直觀的看到一段時間內的溫度變化，更有助于對各種情況下軸承溫升變化率的總結和分析。

3 高溫預防控制程序的應用

這套高溫預防程序的主要應用目的是為了防止軸承在非正常工作狀態下產生的高溫。但軸承在不同的運行速度下，它的溫升變化率及最高工作溫度都將存在差異。因此程序中的溫升變化率設定值要綜合考慮不同運行速度下的正常軋制溫升以及軸承故障時的異常溫升后進行設定。另外，軋制速度越高，停車所需的時間也就越長，最高溫升可能也會相對較高。下面將結合軸承故障時的實際溫度記錄曲線說明此高溫控制程序是如何在控制故障軸承最高溫度的過程中發揮作用的。

在“溫升曲線圖”（圖4）中，設備停車前6s內（25分16秒-25分20秒）軸承溫度變化率連續保持在0.1℃/2s。在此過程中，高溫預防程序做出軸承出現故障的傾向判斷，同時將設備轉入自動停車狀態，并在主操作畫面上發出相應報警信息。從圖4中還可以看到，在設備停車3分46秒后，軸承在停車噴油降溫過程中處于冷卻條件下的靜態溫升，最高溫度達到68.47℃。如果沒有此高溫控制程序，軸承發生故障后將繼續高速運行并達到85℃以后再進入停車程序，此后的軸承靜態溫升有可能達到或超過100℃。因此，相對于軸承故障后繼續運行，具有高溫控制程序參與的軸承溫升速度和最大值都有所下降，同時降低了軸承損壞以及由高溫引起火災的可能性。

4 結束語

在此次軸承故障后設備自動停車的過程中可以認定，程序的設計是可行的并且發揮了作用。在對軸承座的拆解過程中可以看到軸承的燒損情況得到緩解。依據停車條件的設計，由異常溫升所引起的自動停車將由2個復合條件來啟動，即“起始溫度”和“溫升變化率”。因此高溫預防控制程序最重要的是要選擇一個合適的“溫升變化率”設定值，以及“起始溫度”設定值。這兩個數值與軸承材質、裝配、工況有很大關系，“溫度變化率”和“起始溫度”的減小可以在一定程度上避免損壞軸承或減輕軸承進一步損壞，更好的保護軸承，但同時也有可能增加停車次數影響設備運轉率。因此每個軸承都需針對其自身找出適合的參數，這樣才能達到高溫預防的最佳效果。