在線振動分析在高線精軋機故障診斷中的應用

摘要：利用測振技術對高速設備進行故障診斷分析，實現設備維護的預知性，并通過實例介紹了判斷軋機設備的故障源和故障程度的過程及經驗。

關鍵詞：設備故障診斷；錐齒輪箱；軋機

安鋼第一煉軋廠高線機組是與方坯工程配套建成的一條精品線材生產線，采用了國內外先進技術與軋制工藝。整條高線機組共有30架軋機，其中包括粗、中軋平立軋機14架，預精軋機4架，精軋機8架，減定徑機4架。設計最高軋制速度150m/s，實際最大軋制速度120m/s，保證軋制速度112m/s。全線配有6個活套、3臺飛剪和在線自動測徑裝置。全線采用控制冷卻新工藝。設有五套控冷水箱大風量強冷式延遲型散卷冷卻線，并帶有可開閉的絕熱保溫罩，既可進行低溫軋制強制冷卻，實現索氏體處理，又可實現緩冷卻，從金相組織到冶金性能，均可獲得用戶滿意的最終產品。

由于設備使用效率的提高，無形中加大了設備檢修和維護的難度，尤其是精軋機組經常出現突發設備事故，產生大量設備熱停時間。每架軋機都有可能由于潤滑或者負載等問題突然導致軸承失效從而造成整條生產線事故停車。只依靠傳統的聽、摸、看方法已不能滿足預知維修和合理調度生產的需求。如何真正實現對精軋機組設備維護的預知性，及時消除設備隱患成為一個急待解決的問題。為了解決這一難題，安鋼第一煉軋廠于2006年針對精軋機組投用了在線實時測振系統。

1.基本原理

在線實時測振系統以電子傳感、計算機記錄、輔助分析為主要功能，由加速度傳感器將設備瞬時振動的模擬值轉換為電信號，傳輸給計算機進行記錄和分析，在監視器上還原成數字信號并以圖像的形式顯示出來。通過對設備的加速振動在不同時間和頻率范圍內的變化來分析判斷設備故障部位及損壞程度。這套在線監測系統投用后多次對精軋機組設備故障成功報警，使精軋機組真正實現了計劃性維護，整個高線組也在2007年創下了年產 81.6萬噸的國內單線最好紀錄。下面以精軋機組26#錐箱故障診斷為例介紹測振技術在高線設備上的應用。

2.在線檢測及診斷分析

作為高線主要軋制設備的精軋機組，采用的是8架230錐箱45°頂交形式排列，主軸轉速在3000r/min左右，存在轉速高、設備事故突發率高、維修困難等特點。

2009年7月23日，點檢人員發現26#軋機測振監視值異常，結合五官檢測，聽出26#軋機主軸軸承有“嘩……嘩”的金屬音，空載時聲音更清晰，隨后調出測振波形數據進行分析，查找故障源。當天的時域波形有明顯的沖擊信號，周期性沖擊信號間隔為0.021S，對應頻率為47.619Hz，與主軸的轉頻（46.34 Hz）基本一致； 7月28日沖擊間隔更為清晰明顯，故障程度持續發展。7月23日精軋機23#錐箱主軸的轉頻（46.34Hz）所對應的幅值為18.122m/s?，并伴有2、3倍高次諧波，與9月10日頻域圖幅值（0.133m/s?）相比增幅巨大，說明23#錐箱主軸上的軸承已從早期輕微故障向嚴重的情況發展。在（4282Hz）附近有大量的邊頻出現，而且相鄰幅值之間的間隔為主軸的軸頻（48.828Hz）及倍頻（97.656Hz），這與軸承故障的早期特征反映相似，說明23#錐箱I軸軸承可能存在故障隱患，但是大波幅的高頻出現削弱了軸頻及諧波區域的特征，使7月23日之前的頻域對比中由于信息不充足，且頻域與波形不能相互印證，而無法得出準確判斷，只能繼續觀察。在7月28日時域圖與波形圖相互印證，排除了信號干擾、測振頭松動等可能引起誤判斷的因素后，軸承故障早期特征的信息給與確定。

判斷出故障源后，根據相關公式計算軸承各處頻率，來判斷出軸承損壞部位：

內圈旋轉頻率： Fi=N/60

內外圈相對旋轉頻率：Fr=Fi-Fo=Fi

滾動體過內圈頻率：

滾動體過外圈頻率：

滾動體的公轉頻率：

保持架旋轉頻率：

式中： N——主軸轉速，r/min；

D——軸承節徑，mm；

d——滾動體直徑，mm；

Z——滾動體個數；

β——壓力角（又稱接觸角，有時也用a）；

由已知軸承的參數計算出軸承各部位頻率：內圈旋轉頻率Fr=46.29Hz，滾動體過內圈頻率Fi=518.71Hz，滾動體過外圈頻率Fo=499.67Hz，滾動體過內外圈頻率Fb=190.88Hz，滾動體旋轉頻率Fc=22.71Hz. 根據對比各項數據，角接觸球軸承滾動體過內圈頻率與故障頻率最為相似，可以判斷為軸承內圈損壞。

3.診斷結果及驗證

26#箱主軸在7月23日便存在故障隱患，至7月28日故障隱患由輕微向嚴重情況發展。從計算出的軸承滾動體過內圈頻率與故障頻率最為相似，推斷故障源為角接觸球軸承內圈。

2007年8月2日根據計劃安排對拆下來的26#錐箱進行檢查，發現錐箱主軸162250Y軸承的內圈和滾動體都有不同程度的點蝕，與診斷的結論相符，提前一個多月成功預測出26#錐箱軸承事故隱患，避免了更大的損失，保障了生產的順利進行。

4.小結

與最初依靠五官檢測的點檢方法不同，測振系統的應用將語言無法表達清楚的感覺完全數字化，有了準確數據為依靠，診斷結果更加可信.此外利用測振技術加強了對設備的監控，豐富了點檢人員的檢測手段，提高了設備故障發現的幾率，延長了預知維修的準備時間，同時也為合理安排生產提供了時間。測振技術的廣泛應用，確保了設備高效穩定的運轉，也為企業創造了可觀的經濟效益。

參考文獻：

[1]蘇杭主編.機械設備狀態監測與故障診斷.北京：機械工業出版社，1999：176-265.

[2]易良榘編著.簡易振動診斷現場實用技術.北京：機械工業出版社，2003：230-247.

作者簡介：劉忠，本科學歷，工程師。