棒材軋機主傳動系統振動故障診斷與消除

杜劍清 閆 瑾

(北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029)

1 概述

某棒材生產線共有20 架軋機，第20 架是平立可換軋機，一般情況下處于立輥工作狀態。其傳動系統如圖1 所示，傳動速比i=Z7/Z8 =52/63 =1.2。

圖1 軋機主傳動示意圖

該軋機調試時在一定轉速下發生了較大振動，振動位置在立輥減速分配箱以后的設備系統與立輥減速分配箱所處的平臺基礎。為消除故障開展了測試分析與改造，取得了良好效果。

2 振動測試與分析

2.1 振動測試

測試系統由加速度傳感器、振動信號采集處理儀與數據處理軟件組成。

將生產線方向定為“X”方向，與其垂直方向定為“Y”方向，沿傳動軸方向定為“A”方向。根據振動發生的特點選擇測點:3X:3#軸X 方向振動(見圖2);3Y:3#軸Y 方向振動;3A:3#軸A 方向振動;2X:2#軸X 方向振動;2A:2#軸A 方向振動;GA:立輥減速分配箱底座A 方向振動(見圖3)。在不指明單位的情況下，振動值是指振動速度有效值(振動烈度)，單位mm/s。

進行了多轉速振動測試，主電機轉速(r/min)分別為:600，700，750，800，850，900，1000，1050，1100，1200，有關轉速與轉頻列于表1。

2.2 測試結果與分析

圖4 是700r/min 工況3X 測點的速度頻譜，最高譜峰發生在9.5Hz，對應輸出軸轉頻，振值為13.37，通頻振值為16.1mm/s。圖5 是700r/min 工況3X 測點的加速度波形，其特征是等間隔沖擊，沖擊周期約為0.1s，與速度頻譜主峰9.5Hz 對應。圖6 是700r/min 工況3Y 測點的速度頻譜，最高譜峰發生在9. 5Hz，對應輸出軸轉頻，振值為4.27，通頻振值為5。以上數據表明，在700r/min 工況下，設備發生了較大振動，振動頻率是輸出軸轉頻，X 方向振動遠大于Y 方向振動，這些均與現場的感覺一致。最大通頻振值為16.1mm/s。

表1 軋機轉速與轉頻

將發生較大振動的測試結果列于表2。

圖2 3 軸X 方向測點安裝圖

圖3 立輥減速分配箱底座測點安裝圖

圖4 700r/min 3X 測點的速度頻譜

圖5 700r/min 3X 測點的加速度波形

圖7 是3 軸X 方向振動隨轉速變化趨勢圖，其特征是:在主電機700r/min 與1200r/min 時，先后出現兩次較大峰值，對應頻率是輸出軸轉頻。從振值隨轉速變化特征判斷，在該兩處頻率附近，發生了設備與基礎的共振。振型表現為測點處X 方向振動，對于立輥基礎而言，先后發生了X 方向的一階與二階彎曲共振。相對于一階共振，二階共振需要更大能量，在基礎的垂直方向上應該存在一個X方向的振型節點，現場感覺與一階振動具有明顯不同的特征。

表2 振動測試部分結果

圖8 是3 軸Y 方向振動隨轉速變化趨勢圖，其特征是:在主電機800r/min 時，振動出現較大峰值，對應頻率是輸出軸轉頻。表明在該頻率附近，設備與基礎發生了共振。振型表現為測點處Y 方向振動，對于立輥基礎而言，發生了Y 方向的彎曲共振。

圖6 700r/min 3Y 測點的速度頻譜

圖7 3 軸X 方向振動趨勢圖

圖8 3 軸Y 方向振動趨勢圖

對于其它測點的振動特征分析，證明均為同源振動，從振值大小判斷，振動首先發生在3 軸，再向2 軸傳遞。對于三維結構的立輥減速分配箱基礎，判斷9.5Hz 接近其一階固有頻率，振型為X 方向一階彎曲振動，11Hz 接近其二階固有頻率，振型為Y 方向一階彎曲振動，16.5Hz 接近其三階固有頻率，振型為X 方向二階彎曲振動。前兩階固有頻率接近是由于四根立柱在兩個方向上基本相同，彎曲剛度比較接近。所有較大振動的主要成份均為輸出軸轉頻，說明輸出軸系的不平衡是振動發生的起因。

3 故障消除

針對以上分析，從基礎與設備兩方面進行改造。在滿足維修空間的前提下，對基礎立柱采取了橫向加固措施，提高基礎結構的雙向彎曲剛度，其作用在于提高固有頻率。對軋機更換了重新制造并經過動平衡的萬向接軸，消除了安裝缺陷，其作用在于消除振動源或減弱振源強度。

經過以上改造，進行了相同條件下的振動測試，測試時按照軋輥處于上槽位置(萬向接軸花鍵聯接處于最長)與軋輥處于下槽位置(萬向接軸花鍵聯接處于最短)兩種工況進行測試。結果表明，轉速相同時，上槽工況的振動大于下槽工況，原因是較長的傳動軸具有較低的剛度。

圖9 是上槽工況3X 測點振動趨勢圖，該圖表明，在全部轉速范圍內，沒有明顯的共振，振動值總體水平均不高，最大通頻振值為4.2，發生在1100r/min 附近，對應頻率是加固后的一階彎曲固有頻率，說明加固的結果使基礎一階固有頻率提高50%以上。

圖10 是上槽工況3Y 測點振動趨勢圖，與圖9 對比可知，在全部轉速范圍內，Y 方向振動低于X 方向振動，最大通頻振值為2.8，也發生在1100r/min 附近。

其它測點的振動水平均較低。

圖9 上槽工況3X 測點振動趨勢圖

圖10 上槽工況3Y 測點振動趨勢圖

綜上所述，與改造前相比，一階固有頻率提高了50%以上，在全部轉速范圍內，未發現其它固有頻率。更換動平衡后的接軸，消除設備缺陷，使設備振源基本消除，從而在1100r/min 附近，共振不再加大，絕對振動值處于較低水平。

4 結論

經過振動測試與分析，準確判斷出振源與基礎固有特性，經過基礎與設備兩方面的改造，消除了過大的振動，效果顯著。對類似設備的設計安裝具有借鑒意義。

［1］黃文虎等. 設備故障診斷原理、技術及應用. 北京:科學出版社，1997.

［2］盧文祥. 機械制造中的測試技術. 北京:機械工業出版社，1981.

［3］清華大學工程力學系，機械振動(上冊). 北京:機械工業出版社，1980.