應力波技術在軋機機組機械故障診斷領域的應用研究

李洪元，高 帆

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

0 引言

軋機是冶金行業一種常用的金屬加工設備，軋機生產線中任何一臺設備故障導致的非計劃停機，都會造成整個生產線的癱瘓，直接影響到企業的經濟效益。由于軋機工況復雜，轉速持續變化且軋鋼時間短，一般的故障監測手段容易受到工況的影響而采集到較多的干擾信號，造成故障分析困難，使用效果較差[1-2]。軋機減速機是軋機機組的重要設備，減速機一旦損壞，軋機將失去動力不能運行。軋機機組迫切需要一種可以過濾低頻干擾信號的故障監測手段，實時監測設備的運行狀況，及時消除故障影響，為生產保駕護航。實踐證明，應力波技術可以自動過濾干擾信號，反映設備內部運動部件的真實故障情況。

1 應力波的來源和特點

應力波是自然界中的一種固有的彈性波，可以在固體、流體、空氣中傳播，但當使用應力波技術檢測機械部件的內部質點運動和受力時，研究在固體中傳播的應力波。彈性固體質點間因內聚力緊密聯系，任何質點振動都會引發其他相鄰質點的振動，進而形成波動，這種振動的傳播稱為應力波。因質點可以同時帶動周圍質點的振動，所以應力波傳播沒有方向性，是向四周放射形傳播。應力波是應力和應變擾動的傳播形式。應力波技術已經被廣泛應用于樹木測損、管道測漏、地震監測等領域。

在機械設備運轉過程中，運動零部件之間產生相對運動，在零部件相對運動時會有摩擦和沖擊事件發生，沖擊和摩擦事件中微小顆粒的相互碰撞產生應力波。一個健康的設備，其運行狀態穩定。應力波是一個平穩的狀態，沒有幅值相對較大的信號產生。但是當設備運行狀態發生變化時，應力波傳播的信號幅值將會發生相應的變化，找到應力波變化與機械故障的對應關系，就可以對設備故障進行分析和診斷。因為應力波信號直接來源于運動部件本身，所以能夠發現設備本身的超早期故障，且通過長期實時監測，能夠反映設備故障的劣化趨勢，使設備管理者能夠`根據故障發展趨勢，提前準備備品備件和制定維修方案。

1.1 應力波系統特點和工作原理

應力波系統由應力波傳感器、數據采集箱和分析軟件三部分組成。傳感器采集應力波信號后由采集箱進行信號處理，然后將處理好的數字信號傳送給裝在服務器上的分析軟件作進一步分析處理。應力波系統不僅可以監測設備全生命周期的運行狀態，發現最早期的軸承、齒輪等運動部件的故障，而且對于滾動軸承，可以精確定位到內圈、外圈、滾動體和保持架，且能鑒別復雜故障。應力波原理經過多年的研究，目前可以應用在冶金、建材、電力、石化、裝備制造等行業，且多應用在關鍵設備關鍵部件的健康監測當中，并發揮了較大作用，給企業帶來了可觀的經濟效益。

1.2 應力波分析工具

應力波技術分析工具有四種，分別為應力波能量圖、時域圖、直方圖和頻譜圖。能量圖可以反映設備的整體運行狀態及故障裂化的趨勢，甚至是設備檢維修的效果。時域圖可以看出設備是否有沖擊事件發生。直方圖可以量化設備運行的穩定程度，是否有大量隨機事件的發生，是基于統計學的一種隨機事件量化工具。頻譜圖是將應力波一段時間的時域信號作傅里葉變換，得到設備周期性的故障信號。通過計算各個零部件的故障頻率，可以準確找到故障的發生位置，使每次的檢修更有針對性。這也使故障診斷本身更有意義。

2 軋機減速機軸承故障類型

軋機減速機由軸承、齒輪和軸三大部件組成，任何一個部件的損壞都有可能造成設備的報廢甚至發生事故，如軸承的內圈故障、外圈故障、滾動體損失、保持架故障，齒輪的嚙合不良、斷齒、齒面膠合、齒面點蝕等故障，軸的不平衡、不對中、彎曲等故障。其中，軸承發生故障的幾率高，也容易引發設備停機。軸承的故障可以細分為下列幾種。

①疲勞點蝕。

軸承受交變載荷或者循環載荷時，造成軸承內部某個接觸點出現疲勞損壞，進而發展成裂紋。當裂紋閉合后，造成材料的片狀脫落，軸承滾動體與軸承內圈或者外圈相互作用，易形成點蝕。

②磨損。

軸承運轉過程中，由于內部相對運動有摩擦事件產生發生零件表面磨損，當軸承安裝不當、潤滑不良、潤滑油污染時，會使磨損加劇，導致軸承過熱、軸承游隙變大、軸承加速損壞等后果。通過分析潤滑油中的污染物，可以間接反映設備的磨損情況。但其只是定性分析，且離線分析，費時費力。

③銹蝕。

當軸承密封不良或者有水分進入軸承時，會造成軸承化學腐蝕；另外，某些設備接地不良時還會發生電蝕，電流通過軸承滾動體潤滑油膜時發出火花，造成滾動體滾道出現局部地熔融和凹凸現象[3]。

④膠合。

軸承在高速重載、潤滑不良、高溫環境下運行，會出現軸承金屬熔焊現象。由于設備在不斷運行，軸承膠合后又被沖開，然后又膠合，再沖開，造成滾道出現較大脫落或者異物，對軸承造成不可逆轉的傷害。

⑤保持架故障。

軸承保持架是軸承的關鍵且易損部件，保持架一旦失去其功能，軸承將面臨報廢的風險，保持架故障包括保持架兜孔的磨損、保持架變形、保持架斷裂等。保持架發生故障時，其本身的故障很難檢測，但可以在與其配合的部件上體現[4]。比如當保持架窗梁斷裂時，滾動體失去原有的運動位置，滾動體亂序劇烈摩擦，造成軸承超溫和其他故障的惡化。

3 設備故障診斷流程

軸承在發生故障后，故障一定會造成設備運行狀況的不斷惡化。軸承座附近出現噪聲時，會引起設備管理人員的注意。設備管理人員根據自己的工作經驗，通過聽針或者手持式的振動檢測儀，分析故障的位置和原因，這并不是不能實現。但是這種處理方式嚴重依賴于設備管理者的工作經驗，且容易誤診、漏診，設備管理者亟需一種實時在線的智能分析系統來減輕設備健康診斷工作的負擔[5]。

3.1 應力波系統故障診斷流程

應力波故障診斷流程如圖1所示。

圖1 應力波故障診斷流程圖

通過分析應力波傳感器采集設備的應力波信號，結合設備轉速、負載等運行參數，判斷應力波信號變化的原因。然后從采集的應力波信號中提取設備的故障信息，包括設備故障頻譜、設備隨機事件發生次數統計、設備實域沖擊信號等。將應力波信號中的實際值與設備知識庫中的理論值進行比對，分析得到故障的位置和故障類型。如果系統自動分析存在不確定因素或者無法得出結論，由工程師進行后臺分析，去除干擾因素，結合對設備以往的運行狀態的了解，確定最終的結論。跟蹤設備檢修進度，完善設備故障知識庫，提高設備的自動診斷能力，逐漸實現全自動智能診斷。

3.2 軸承故障頻率計算

軸承的故障頻率可以在得知軸承詳細參數后，通過公式計算，得到軸承組成部件各自的故障頻率[6]；對于國外進口軸承，如SKF、NSK、FAG等品牌軸承，可以在其官網中查詢其通過試驗得到的軸承故障頻率。

軸承的故障可按下列公式計算(假定外環不動)。

軸承內圈故障頻率：

(1)

軸承外圈故障頻率：

(2)

軸承滾動體故障頻率：

(3)

式中：D為軸承節圓直徑；d為滾動體直徑；a為壓力角(弧度)；n為軸的轉速；N為滾動體個數。

4 故障診斷案例

某公司一煉軋廠精軋機組減速機頻繁出現軸承故障問題，使用應力波技術產品對該企業的F1～F7共7架精軋機組進行了應力波實時監測。通過一段時間的數據觀察和分析，發現了多個機械故障問題。經開蓋驗證，檢修結果均與分析結果吻合。

4.1 設備基本情況

軋機減速機機械結構如圖2所示。

圖2 軋機減速機機械結構圖

該減速機采用單級圓柱斜齒輪減速，減速比為5.4。F1減速機基本參數如表1所示。

表1 F1減速機基本參數

根據軸承參數，使用式(1)～式(3)進行計算，并結合軸承官網提供的軸承信息，得到如表2所示的F1機架減速機故障頻率表，供故障分析定位使用。

表2 F1機架減速機故障頻率表

4.2 應力波監測情況

應力波監測表明，7機架精軋機組減速機高速軸時域信號圖中有明顯沖擊事件發生，尤其在0.2 s和0.4 s附近時有較大電壓值。F1機架減速機高速軸時域如圖3所示。圖3表明此時有較大沖擊，但是這并不意味著設備一定有明顯故障，需借助其他分析工具一起分析。頻域圖中發現有明顯的故障頻譜，頻率值為28 Hz，且存在倍頻。

圖3 F1機架減速機高速軸時域圖

F1機架減速機高速軸頻譜如圖4所示。該時刻高速軸轉速為72 r/min，331 854/HA1軸承故障頻率在外圈固定、內圈轉動的情況下各部件故障頻率。

圖4 F1機架減速機高速軸頻譜

計算得到高速軸軸頻為1.20 Hz，低速軸軸頻為0.22 Hz，齒輪嚙合頻率為25.20 Hz。對照表2軸承各部件故障頻率可以發現：28 Hz對應高速軸操作側軸承滾動體的兩倍頻，系統自動診斷為滾動體故障。但人工分析知，滾動體故障頻率的倍頻不是一直保持不變，再加上軸承溫度升高，表明滾動體已經發生了亂序，滾動體相互擠壓發生了劇烈摩擦。同時，考慮到滾動體發生故障時多數伴隨軸承保持架的故障，且保持架故障不易發現，所以確定結論為該軸承滾動體發生故障，且極有可能保持架窗梁已經斷裂，引起滾動體運動時相互干涉。因此，建議立即對高速軸操作側軸承進行開蓋檢查。

開蓋后發現，減速機高速軸軸承保持架窗梁斷裂，滾動體失去原有確定的運動位置，相互擠壓干涉，且滾動體發生不同程度的磨損。該結論與人工分析結論吻合。通過修正和完善設備故障知識庫，系統自動診斷能力得到提升，并在后來的一個月內發現了F4和F5減速機軸承保持架的類似故障，為7架軋機的穩定運行提供了可靠保障。

5 結束語

通過實際案例證明，應力波可以作為一種有效的技術手段，應用于軋機的在線故障診斷，且系統的自動診斷和系統故障知識庫的不斷學習完善是該技術發展的重要內容。對于在復雜工況中運行的設備，人工分析和系統智能診斷有機結合，能夠顯著提高工作效率和診斷效果。但是，發現和定位故障不是設備管理的最終目的。不管是設備結構設計和裝配制造，還是設備工況及生產線工藝，都是影響設備使用壽命的重要因素。找到造成設備故障的根本原因，并利用有效的技術手段在線監測設備的運行狀態后，將定期和被動維修模式轉變為預測維修甚至是主動維修模式，從而最大程度上延長設備的使用壽命，才能保證生產線的穩定運行，達到提高經濟效益的最終目的。