狀態監測與故障診斷技術在軋鋼機械中的應用

李亞星

【摘 要】在鋼鐵生產中軋鋼生產線屬于最關鍵產線，而軋鋼相關設備出現故障都會導致整條產線停產，從而影響產量。軋鋼設備的核心部件主要包括：轉子、聯軸器、滑動和滾動軸承、齒輪等。通過長期的觀察和實踐發現旋轉機械的絕大多數早期故障都會表現出異常振動，因而掌握機械振動的一般規律就可以從振動信號中判斷出常見的機械故障。

【關鍵詞】狀態監測；故障診斷技術；軋鋼機械；應用

1判斷軋鋼機械振動故障的標準

滾動機械振動故障的主要判據可分為三類，即相對失效判據、定量失效判據和故障類比判定。實際上，需要結合許多因素來判斷故障的原因，如機械工作過程中狀態的突然變化。因此，在具體實施過程中，這項工作不僅非常復雜，而且存在一些困難。基于此，在判斷軋機振動故障時，往往需要采用更為嚴格的判據進行判斷，而更好的方法是以時間軸為基準，進行比較分析。在相同的測試位置下，我們可以得到更重要的數據，然后將其與正常數據進行比較。研究發現，軋機實際運行存在故障。在診斷過程中，每一環節都需要嚴格的監督和控制。只有這樣，我們才能準確地獲取數據，并及時診斷故障的發生。這對于員工在最短的時間內解決問題，同時為員工爭取更多的時間解決問題非常有幫助。

2設備測點的選擇

在測量數據時，應遵循以下原則：1）每次數據采集時，機器的工作條件要一致，采集儀器和測量方法也要一致；在每次數據采集時同一地點，使得采集不會由于激勵源到測量點的不同傳遞函數而引起。結果是不同的；3）每個獲取的定義應該是相同的。一般來說，對故障響應頻率超過1000HZ的振動進行加速，對故障響應頻率在100-1000HZ范圍內的振動進行加速。采集數據參數應基于速度，故障響應頻率在10-100HZ范圍內的振動，采集次數。根據參數，位移是主要因素。

在線監測過程中，測量點的變化對軋制設備的監測效果影響很大，因此應注意測量點的選擇：1）測量點應選在信號響應中比較敏感的部位，如：機座和軸承座的支承面積；2）測量點應位于振動信號傳輸路徑的最短部分，以避免中間傳輸介質。定性的外觀；3）應強調測量點的方向性。一般來說，振動監測的測量點應從三個方向選擇：垂直（V）、水平（H）和軸向（A）。對于某些低頻振動，應更準確地選擇測量點的方向；4）軋機等大型機械設備更易受到傳遞函數的影響，因此進行振動測量。在該過程中還需要多點檢測。

3常見故障及診斷方法

3.1旋轉機械的轉子不平衡

轉子由于受到材料質量、加工裝配、工作中多種因素的影響，導致轉子中心線和旋轉中心線之間存在一定的偏心距，使轉子在正常旋轉時受到一個周期性的離心力，同時在軸承上產生動載荷，從而引起機器異常振動的現象叫做旋轉機械轉子不平衡。通過對離心力的分析可以知道，導致轉子不平衡的離心力隨轉速的變化而改變。因此轉子不平衡故障特征中剛性轉子在啟動時振幅隨轉速的增大而增大，而柔性轉子，它在啟動時振幅是先增大后減小。具體在時域波形中主要表現為一系列規整的簡諧波、毛刺少；在頻譜特征上主要表現為1倍頻峰值明顯；在振動相位方面，水平和垂直方向的振動相位差90°；在振幅特征上水平振幅比垂直大、徑向振幅比軸向要大。

3.2不對中故障特征

轉子的不對中指的是兩根相互耦合的軸，其中心線不重合，這也是旋轉機械的一類常見的典型故障，據統計旋轉機械60%的故障是由轉子不對中引起的。把常見的不對中分為平行不對中和角度不對中。其產生的原因包括：初始安裝不對中、地基不均勻下沉、動態對中不良、軸承間隙改變、基礎變形、、軸彎曲等。轉子不對中的故障特征：當轉子不對中時會在軸上產生一個附加軸向振動，因此把軸向振動的增大看成轉子存在不對中明顯征兆；在頻譜特征方面：平行不對中主要在轉子的垂直和水平方向上產生較高幅值的1倍、2倍轉頻峰值，角度不對中則表現為同頻振動較為突出，它們的共同點是以轉子轉頻的2倍頻或4倍頻為主，而且常伴有高次倍頻。在振動相位方面，平行不對中的轉子在兩根軸上的徑向振動相位差180°，而角度不對中時聯軸器的軸向振動相位差180°。

3.3機械松動

松動類故障是軋鋼機械常見的故障之一，同時也是很難診斷出異常振動具體部位的一類故障，它在設備的基礎、支撐部位、機械部件、機殼等任何有連接件的部位都可能發生，而且松動故障和不平衡故障常常同時發生。其中地腳松動引起的振動異常表現為在垂直方向的振幅大于水平方向振幅。而由零件配合松動引起的振動異常則表現為振幅隨著負荷的改變而變化，但其對轉速的改變沒有的明顯變化。在頻譜特征方面，除了1倍轉頻峰值明顯的外，轉頻的奇數倍頻會比較明顯（而且常高于轉頻的幅值），并伴有0.4倍轉頻左右分數倍的諧波成分，頻譜成分呈現遞減趨勢。

3.4滾動軸承常見故障

滾動軸承是軋鋼機械轉子系統的重要支撐部件，它可以提供旋轉部件穩定的回轉中心、徑向支撐及軸向位置。滾動軸承包括軸承外圈、軸承內圈、滾動體以及保持架。因為滾動軸承的每一個零件都存在各自的缺陷特征頻率，因此對滾動軸承進行故障診斷主要通過頻譜變化。理論上，通過頻譜分析技術不僅能判斷軸承有無故障，還可以精確地判斷是軸承中哪一個零件存在損傷。

3.5齒輪箱的振動特征及診斷

齒輪箱是軋制機械中常用的設備，是一種利用齒輪嚙合傳遞運動和動力的機械傳動。它的運行直接影響整個機組的正常工作。在齒輪箱的各種常見故障中，最常見的是齒輪故障（斷齒、齒疲勞、生銹、齒磨損、劃傷等）。如果一對齒輪是理想的漸開線形狀，并且齒輪的剛度是無限大的，那么齒輪在工作嚙合中不會振動。然而，由于制造誤差、潤滑、材料剛度等因素的影響，新齒輪在嚙合過程中也會產生一定的振動。當齒輪出現缺陷時，振幅增大，出現新的頻率分量。這些是齒輪缺陷的特征頻率。

齒輪的特征頻率主要包括齒輪嚙合頻率、齒輪固有頻率和側向頻帶。定軸轉動的齒輪嚙合頻率與行星齒輪傳動的嚙合頻率相同。齒輪故障診斷最有效的方法是分析齒輪振動頻譜的變化，然后進行倒譜分析。齒輪故障診斷首先取決于嚙合頻率幅值，其次取決于嚙合頻率諧波，最后取決于側頻帶的組成。隨著齒輪故障的發展和振動能量的增加，齒輪的側頻帶越來越豐富，振幅也越來越大（側頻分析通常首先需要細化頻譜）。

結論

隨著冶金行業的發展，軋鋼機械的自動化程度已達到了一個較高的水平，其結構日益復雜，而且實際運行過程工況復雜，具有高溫、高壓、高速等特點。事后維修和計劃維修已經很難滿足當下生產對設備的需求，從經濟以及維修價值等方面考慮預防性維修已經成為了當下冶金行業必須面臨的課題，以振動分析為基礎的狀態監測與故障診斷技術近年來發展迅速，其在冶金行業中的各類風機、主電機、軋機齒輪箱、齒輪機座等設備上都表現出了非常好的實際應用效果。

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（作者單位：中冶京誠工程技術有限公司）