棒材連軋主減速機振動監測與故障分析

趙立剛等

摘要：本文基于棒材連軋主減速機的工作原理對減速機產生振動信號的機理，以及減速機的故障特點進行研究分析，由于不同的故障引起的不同形式的振動，從減速機外部的傳感器獲取的振動信號對故障特征信息進行分析，進而為診斷減速機的故障提供參考依據。

關鍵詞：減速機 齒輪 振動測試 故障診斷

0 引言

石鋼公司軋鋼廠大棒線全線由達涅利公司設計，2004年6月投產運行至今。其設備工藝流程為：加熱爐-軋機（粗軋-中軋-精軋）-冷床-鋸-成品收集，其中軋機設備作為軋鋼工序的核心部分，對整個工序產能發揮起決定性作用。軋機設備按照工藝順序分為粗軋、中軋、精軋三個部分。在軋鋼設備中，減速機作為最主要的動力傳輸裝置，其機器故障通常是由振動造成的，整條生產線的工作狀況往往受到減速機運行狀態的影響和制約。對于減速機來說，其故障主要出現在軸承和齒輪部位。因此，在減速機出現發生故障時，需要對減速機的齒輪進行重點分析。在運行過程中，由于齒輪間的正常磨損與疲勞，以及制造、裝配精度比較差等原因，在一定程度上容易造成齒輪發生故障。齒輪作為一種高度復雜的成形零件，在機械加工過程中，與其它零件相比，無論是制造，還是裝配精度，齒輪的機械加工都比較低。隨著現代機械的廣泛應用，對齒輪的傳動提出新的要求：一方面在高速、重載等條件下要求齒輪能夠正常工作；另一方面要求齒輪的工作性能具有更高的平穩性和可靠性，以及結構緊湊等，在這種情況下，進一步增加了引發齒輪發生故障的因素。根據國外研究資料統計結果顯示，在旋轉機械故障中，齒輪失效占10.3%。因此， 需要不斷提高齒輪傳動的可靠性，同時定期對機械設備中的齒輪進行監測，進而在一定程度上確保機械設備安全、平穩地運行。

1 故障蹤跡分析和監測點的布置

1.1 減速機故障蹤跡分析[1]

在石鋼公司軋鋼廠，大棒工序生產線粗軋機組安裝的減速機機組總共5個，自2014年1月份以來，在工作過程中，2號減速機組的振動比較大，進而對軋機的正常運行產生嚴重的影響。我們初步分析了減速機振動的來源，如圖1所示，通過分析可知造成減速機產生振動異常的因素是：①軋機，即負載傳來的振動；②減速機的齒輪嚙合和軸承損壞；③電機和減速機之間的聯軸器不對中，及同軸度誤差超標等。

1.2 傳感器監測點布置

為了對齒輪機的故障原因進行準確定位，需要對減速機系統的振動加速度進行相應的測試，其傳動簡圖，以及布置的加速度傳感器測點，如圖2所示，在高速軸Ⅱ上布置1測點傳感器，在低速軸Ⅴ上布置2測點傳感器，同時測量水平方向的振動情況。測試參數為：采樣頻率、分析頻率分別為5120Hz、2000Hz，采樣點數為2048。

1.3 測試儀器介紹

HY-106B測振儀是一種便攜式振動測量設備，借助這種測量設備，通常情況下，能夠對振動的加速度、烈度（速度）等進行直接的測量，這種測量儀器具有較寬的測量范圍，并且具有最大值保持功能，同時這種設備有相應的處理軟件，能夠對所測數據進行分析。對于HY-106B振動信號分析儀來說，一般具有8通道，經過相應的擴展處理，其最大有32個通道，能夠對微小振動、超強振動等實施測量，其儲存的測點數據可以超過1000組，該設備能夠對信息進行管理，同時與微機實現通信，進而在一定程度上能夠對現場進行相應的監測，借助處理軟件，能夠對狀態、趨勢等進行監測和分析。

2 測試結果與故障排除

在減速機Ⅱ軸（高速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度時域圖如圖3所示。在減速機Ⅱ軸（高速） 設置振動加速度傳感器，其振動加速度頻譜圖如圖4所示。在減速機Ⅴ軸（低速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度時域圖如圖5所示。在減速機Ⅴ軸（低速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度頻譜圖如圖6所示。

通過分析，可知測點1的振動加速度為0.5g，并且有上升的趨勢，明顯超出正常范圍，為進一步查明故障原因，通過頻譜對測點1、2進行分析。通過對時域波形圖進行分析可知，高速軸（測點1）的時域振動波形存在沖擊信號，如圖3所示，脈沖間隔0.073s，頻率值13.7Hz。低速軸（測點2）振動波形比較正常，如圖5所示。通過對減速機各測點頻譜圖進行深入分析，可以看出，無論是高速軸，還是低速軸都存在連續低分量，如圖4、圖6所示。通過上述分析，在齒輪嚙合沖擊方面，高速軸（Ⅱ軸）比較大，低速軸（Ⅴ軸）相對好一些?？梢?，齒輪嚙合是減速機振動的主要振源，由軸承故障造成的振動相對較小，結合前面的分析可以進一步判定高速軸齒輪出現問題。隨即決定打開減速機東側觀察孔檢查，發現Ⅱ軸錐齒輪斷齒一條，長度約為齒長的2/3，相鄰齒同樣位置亦有裂紋（見圖7）。

診斷結果與實際故障相符，在隨后的故障處理時我們更換了該錐齒輪，更換完畢后試車時再次對同一部位進行測量時，測點1，2的振動幅度明顯降低，2#減速機的振動明顯減小，機組運行恢復正常。

3 結束語

振動監測判斷減速機故障狀態是精密點檢參與故障診斷技術中一次成功的實踐。本次2#減速機案例使我們深刻地意識到設備狀態監測工作開展的必要性與重要性。由于實施了有效的振動監測，對減速機設備狀況進行有效的診斷分析，同時進行了預防和維修，進而在一定程度上避免了故障的進一步惡化，為棒材正常生產奠定基礎。本次案例為以后的PMS監測工作積累了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1]鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]易良榘.簡易振動診斷現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]何正嘉.機械設備非平穩信號的故障診斷原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]黃永強.陳樹勛.機械振動理論[M].北京：機械工業出版社，1996.

作者簡介：

趙立剛（1982-），男，河北石家莊人，河北鋼鐵集團石鋼公司，助理工程師，研究方向：設備運行管理。

劉瑞落（1982-），男，河北石家莊人，河北鋼鐵集團石鋼公司，助理工程師，研究方向：設備運行管理。endprint

摘要：本文基于棒材連軋主減速機的工作原理對減速機產生振動信號的機理，以及減速機的故障特點進行研究分析，由于不同的故障引起的不同形式的振動，從減速機外部的傳感器獲取的振動信號對故障特征信息進行分析，進而為診斷減速機的故障提供參考依據。

關鍵詞：減速機 齒輪 振動測試 故障診斷

0 引言

石鋼公司軋鋼廠大棒線全線由達涅利公司設計，2004年6月投產運行至今。其設備工藝流程為：加熱爐-軋機（粗軋-中軋-精軋）-冷床-鋸-成品收集，其中軋機設備作為軋鋼工序的核心部分，對整個工序產能發揮起決定性作用。軋機設備按照工藝順序分為粗軋、中軋、精軋三個部分。在軋鋼設備中，減速機作為最主要的動力傳輸裝置，其機器故障通常是由振動造成的，整條生產線的工作狀況往往受到減速機運行狀態的影響和制約。對于減速機來說，其故障主要出現在軸承和齒輪部位。因此，在減速機出現發生故障時，需要對減速機的齒輪進行重點分析。在運行過程中，由于齒輪間的正常磨損與疲勞，以及制造、裝配精度比較差等原因，在一定程度上容易造成齒輪發生故障。齒輪作為一種高度復雜的成形零件，在機械加工過程中，與其它零件相比，無論是制造，還是裝配精度，齒輪的機械加工都比較低。隨著現代機械的廣泛應用，對齒輪的傳動提出新的要求：一方面在高速、重載等條件下要求齒輪能夠正常工作；另一方面要求齒輪的工作性能具有更高的平穩性和可靠性，以及結構緊湊等，在這種情況下，進一步增加了引發齒輪發生故障的因素。根據國外研究資料統計結果顯示，在旋轉機械故障中，齒輪失效占10.3%。因此， 需要不斷提高齒輪傳動的可靠性，同時定期對機械設備中的齒輪進行監測，進而在一定程度上確保機械設備安全、平穩地運行。

1 故障蹤跡分析和監測點的布置

1.1 減速機故障蹤跡分析[1]

在石鋼公司軋鋼廠，大棒工序生產線粗軋機組安裝的減速機機組總共5個，自2014年1月份以來，在工作過程中，2號減速機組的振動比較大，進而對軋機的正常運行產生嚴重的影響。我們初步分析了減速機振動的來源，如圖1所示，通過分析可知造成減速機產生振動異常的因素是：①軋機，即負載傳來的振動；②減速機的齒輪嚙合和軸承損壞；③電機和減速機之間的聯軸器不對中，及同軸度誤差超標等。

1.2 傳感器監測點布置

為了對齒輪機的故障原因進行準確定位，需要對減速機系統的振動加速度進行相應的測試，其傳動簡圖，以及布置的加速度傳感器測點，如圖2所示，在高速軸Ⅱ上布置1測點傳感器，在低速軸Ⅴ上布置2測點傳感器，同時測量水平方向的振動情況。測試參數為：采樣頻率、分析頻率分別為5120Hz、2000Hz，采樣點數為2048。

1.3 測試儀器介紹

HY-106B測振儀是一種便攜式振動測量設備，借助這種測量設備，通常情況下，能夠對振動的加速度、烈度（速度）等進行直接的測量，這種測量儀器具有較寬的測量范圍，并且具有最大值保持功能，同時這種設備有相應的處理軟件，能夠對所測數據進行分析。對于HY-106B振動信號分析儀來說，一般具有8通道，經過相應的擴展處理，其最大有32個通道，能夠對微小振動、超強振動等實施測量，其儲存的測點數據可以超過1000組，該設備能夠對信息進行管理，同時與微機實現通信，進而在一定程度上能夠對現場進行相應的監測，借助處理軟件，能夠對狀態、趨勢等進行監測和分析。

2 測試結果與故障排除

在減速機Ⅱ軸（高速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度時域圖如圖3所示。在減速機Ⅱ軸（高速） 設置振動加速度傳感器，其振動加速度頻譜圖如圖4所示。在減速機Ⅴ軸（低速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度時域圖如圖5所示。在減速機Ⅴ軸（低速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度頻譜圖如圖6所示。

通過分析，可知測點1的振動加速度為0.5g，并且有上升的趨勢，明顯超出正常范圍，為進一步查明故障原因，通過頻譜對測點1、2進行分析。通過對時域波形圖進行分析可知，高速軸（測點1）的時域振動波形存在沖擊信號，如圖3所示，脈沖間隔0.073s，頻率值13.7Hz。低速軸（測點2）振動波形比較正常，如圖5所示。通過對減速機各測點頻譜圖進行深入分析，可以看出，無論是高速軸，還是低速軸都存在連續低分量，如圖4、圖6所示。通過上述分析，在齒輪嚙合沖擊方面，高速軸（Ⅱ軸）比較大，低速軸（Ⅴ軸）相對好一些?？梢?，齒輪嚙合是減速機振動的主要振源，由軸承故障造成的振動相對較小，結合前面的分析可以進一步判定高速軸齒輪出現問題。隨即決定打開減速機東側觀察孔檢查，發現Ⅱ軸錐齒輪斷齒一條，長度約為齒長的2/3，相鄰齒同樣位置亦有裂紋（見圖7）。

診斷結果與實際故障相符，在隨后的故障處理時我們更換了該錐齒輪，更換完畢后試車時再次對同一部位進行測量時，測點1，2的振動幅度明顯降低，2#減速機的振動明顯減小，機組運行恢復正常。

3 結束語

振動監測判斷減速機故障狀態是精密點檢參與故障診斷技術中一次成功的實踐。本次2#減速機案例使我們深刻地意識到設備狀態監測工作開展的必要性與重要性。由于實施了有效的振動監測，對減速機設備狀況進行有效的診斷分析，同時進行了預防和維修，進而在一定程度上避免了故障的進一步惡化，為棒材正常生產奠定基礎。本次案例為以后的PMS監測工作積累了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1]鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]易良榘.簡易振動診斷現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]何正嘉.機械設備非平穩信號的故障診斷原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]黃永強.陳樹勛.機械振動理論[M].北京：機械工業出版社，1996.

作者簡介：

趙立剛（1982-），男，河北石家莊人，河北鋼鐵集團石鋼公司，助理工程師，研究方向：設備運行管理。

劉瑞落（1982-），男，河北石家莊人，河北鋼鐵集團石鋼公司，助理工程師，研究方向：設備運行管理。endprint

摘要：本文基于棒材連軋主減速機的工作原理對減速機產生振動信號的機理，以及減速機的故障特點進行研究分析，由于不同的故障引起的不同形式的振動，從減速機外部的傳感器獲取的振動信號對故障特征信息進行分析，進而為診斷減速機的故障提供參考依據。

關鍵詞：減速機 齒輪 振動測試 故障診斷

0 引言

石鋼公司軋鋼廠大棒線全線由達涅利公司設計，2004年6月投產運行至今。其設備工藝流程為：加熱爐-軋機（粗軋-中軋-精軋）-冷床-鋸-成品收集，其中軋機設備作為軋鋼工序的核心部分，對整個工序產能發揮起決定性作用。軋機設備按照工藝順序分為粗軋、中軋、精軋三個部分。在軋鋼設備中，減速機作為最主要的動力傳輸裝置，其機器故障通常是由振動造成的，整條生產線的工作狀況往往受到減速機運行狀態的影響和制約。對于減速機來說，其故障主要出現在軸承和齒輪部位。因此，在減速機出現發生故障時，需要對減速機的齒輪進行重點分析。在運行過程中，由于齒輪間的正常磨損與疲勞，以及制造、裝配精度比較差等原因，在一定程度上容易造成齒輪發生故障。齒輪作為一種高度復雜的成形零件，在機械加工過程中，與其它零件相比，無論是制造，還是裝配精度，齒輪的機械加工都比較低。隨著現代機械的廣泛應用，對齒輪的傳動提出新的要求：一方面在高速、重載等條件下要求齒輪能夠正常工作；另一方面要求齒輪的工作性能具有更高的平穩性和可靠性，以及結構緊湊等，在這種情況下，進一步增加了引發齒輪發生故障的因素。根據國外研究資料統計結果顯示，在旋轉機械故障中，齒輪失效占10.3%。因此， 需要不斷提高齒輪傳動的可靠性，同時定期對機械設備中的齒輪進行監測，進而在一定程度上確保機械設備安全、平穩地運行。

1 故障蹤跡分析和監測點的布置

1.1 減速機故障蹤跡分析[1]

在石鋼公司軋鋼廠，大棒工序生產線粗軋機組安裝的減速機機組總共5個，自2014年1月份以來，在工作過程中，2號減速機組的振動比較大，進而對軋機的正常運行產生嚴重的影響。我們初步分析了減速機振動的來源，如圖1所示，通過分析可知造成減速機產生振動異常的因素是：①軋機，即負載傳來的振動；②減速機的齒輪嚙合和軸承損壞；③電機和減速機之間的聯軸器不對中，及同軸度誤差超標等。

1.2 傳感器監測點布置

為了對齒輪機的故障原因進行準確定位，需要對減速機系統的振動加速度進行相應的測試，其傳動簡圖，以及布置的加速度傳感器測點，如圖2所示，在高速軸Ⅱ上布置1測點傳感器，在低速軸Ⅴ上布置2測點傳感器，同時測量水平方向的振動情況。測試參數為：采樣頻率、分析頻率分別為5120Hz、2000Hz，采樣點數為2048。

1.3 測試儀器介紹

HY-106B測振儀是一種便攜式振動測量設備，借助這種測量設備，通常情況下，能夠對振動的加速度、烈度（速度）等進行直接的測量，這種測量儀器具有較寬的測量范圍，并且具有最大值保持功能，同時這種設備有相應的處理軟件，能夠對所測數據進行分析。對于HY-106B振動信號分析儀來說，一般具有8通道，經過相應的擴展處理，其最大有32個通道，能夠對微小振動、超強振動等實施測量，其儲存的測點數據可以超過1000組，該設備能夠對信息進行管理，同時與微機實現通信，進而在一定程度上能夠對現場進行相應的監測，借助處理軟件，能夠對狀態、趨勢等進行監測和分析。

2 測試結果與故障排除

在減速機Ⅱ軸（高速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度時域圖如圖3所示。在減速機Ⅱ軸（高速） 設置振動加速度傳感器，其振動加速度頻譜圖如圖4所示。在減速機Ⅴ軸（低速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度時域圖如圖5所示。在減速機Ⅴ軸（低速）上設置振動加速度傳感器，其振動加速度頻譜圖如圖6所示。

通過分析，可知測點1的振動加速度為0.5g，并且有上升的趨勢，明顯超出正常范圍，為進一步查明故障原因，通過頻譜對測點1、2進行分析。通過對時域波形圖進行分析可知，高速軸（測點1）的時域振動波形存在沖擊信號，如圖3所示，脈沖間隔0.073s，頻率值13.7Hz。低速軸（測點2）振動波形比較正常，如圖5所示。通過對減速機各測點頻譜圖進行深入分析，可以看出，無論是高速軸，還是低速軸都存在連續低分量，如圖4、圖6所示。通過上述分析，在齒輪嚙合沖擊方面，高速軸（Ⅱ軸）比較大，低速軸（Ⅴ軸）相對好一些?？梢姡X輪嚙合是減速機振動的主要振源，由軸承故障造成的振動相對較小，結合前面的分析可以進一步判定高速軸齒輪出現問題。隨即決定打開減速機東側觀察孔檢查，發現Ⅱ軸錐齒輪斷齒一條，長度約為齒長的2/3，相鄰齒同樣位置亦有裂紋（見圖7）。

診斷結果與實際故障相符，在隨后的故障處理時我們更換了該錐齒輪，更換完畢后試車時再次對同一部位進行測量時，測點1，2的振動幅度明顯降低，2#減速機的振動明顯減小，機組運行恢復正常。

3 結束語

振動監測判斷減速機故障狀態是精密點檢參與故障診斷技術中一次成功的實踐。本次2#減速機案例使我們深刻地意識到設備狀態監測工作開展的必要性與重要性。由于實施了有效的振動監測，對減速機設備狀況進行有效的診斷分析，同時進行了預防和維修，進而在一定程度上避免了故障的進一步惡化，為棒材正常生產奠定基礎。本次案例為以后的PMS監測工作積累了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1]鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]易良榘.簡易振動診斷現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]何正嘉.機械設備非平穩信號的故障診斷原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]黃永強.陳樹勛.機械振動理論[M].北京：機械工業出版社，1996.

作者簡介：

趙立剛（1982-），男，河北石家莊人，河北鋼鐵集團石鋼公司，助理工程師，研究方向：設備運行管理。

劉瑞落（1982-），男，河北石家莊人，河北鋼鐵集團石鋼公司，助理工程師，研究方向：設備運行管理。endprint