軋鋼機械振動故障的分析及診斷

黃忠念

（南京瑪格耐特智能科技有限公司，江蘇南京 210035）

1 軋鋼機械設備的振動故障分類和原因分析

軋鋼機械設備的振動故障類型和原因均較多，根據振動故障類型和原因，可以分為以下4 種常見的類型：

1.1 轉子異常振動

轉子異常振動主要包括裝配質量不過關和轉軸彎曲。在軋鋼機械設備中如果沒有合理裝配轉子，會發生轉子異常振動，造成設備負荷情況和設備工作溫度特別是軸承溫度無法保持穩定，最終出現轉子異常振動進一步加劇的現象，嚴重的甚至會誘發連接松動和脫落等問題，轉子松動會進一步影響轉軸的穩定性，嚴重的還會損傷轉子和軸承，當轉子發生損傷后，頻率難以維持穩定，進而導致設備損壞。轉子裝配質量不過關容易發生在每次大修后的試運轉階段。轉軸彎曲也會造成轉子異常振動。軋機的各級轉軸的受力較大，沖擊載荷也很大，容易過載造成彎曲，轉軸彎曲后也會造成轉子異常振動。轉軸彎曲容易發生在停機待用期間。

1.2 電氣故障引起的電機振動

電機各相電流嚴重不平衡、轉子條松動和定子線圈松動等電氣原因都可能引起電機的振動。電氣故障除了引起電機振動，一般還伴隨著電機發熱增大和工作溫度升高，進一步惡化電氣故障，引起更嚴重的電氣事故甚至造成電機燒壞。

1.3 齒輪機械振動

作為重型工業設備，軋鋼機械設備在運行中需要承受較大的壓力，齒輪的受力較大且載荷沖擊嚴重，久而久之發生齒面磨損、齒面點蝕甚至斷齒的情況。上述問題會造成機械設備振動異常，進而影響齒輪的使用壽命和使用效果，最終對軋鋼機械設備整體運行產生不良影響。

1.4 滾動軸承振動

在軋鋼機械設備中，滾動軸承也是構成設備的主要部件，滾動軸承振動現象主要是由于過大的沖擊載荷造成軸承的局部沖擊點蝕和軸承游隙加大造成的，最終導致出現振動異常問題。

2 振動異常判斷標準

在實踐中，按照相對判斷、類比判斷和定量判斷3 類標準和指標判斷軋鋼機械振動故障。通過這3 種方法能夠在實際操作中高效地判斷機械設備的運行狀態和突變等情況。

相對判斷主要采用時間軸作為判斷的基礎和參照。一般以集中控制系統在線監測的振動值的變化趨勢為基礎，結合振動值升高的速度和突變速度進行診斷。相對判斷可以用來判斷齒輪磨損和軸承磨損等不斷積累的故障，適合對保養過程的故障趨勢進行預測和提前預防。

類比判斷主要采用相同或相似的振動值和振動頻譜為基礎來進行對比分析。一般以測振儀測出的振動位移、振動速度、振動加速度和振動頻譜作為依據，對比振動值的大小和頻譜成分。類比判斷適合進行設備制造質量優劣判斷和運行過程造成的故障部位進行精確定位。

定量判斷主要采用測定的設備振動值和頻譜自身的量進行分析。一般與振動標準推薦值進行對比。定量判斷適合判斷齒輪斷裂、軸斷裂和軸彎曲等突發故障。

此外，還可以借助自動化診斷系統，積極應用先進的信息技術，實現故障的快速定位。工作人員在實際工作中需要在復雜的運行環境中客觀科學地判斷、查找故障位置，結合實際情況，多種判斷方法進行綜合，判斷軋鋼機械設備的振動故障位置。在此基礎上，工作人員要在嚴格的評判標準指導下對軋鋼機械設備振動故障展開判斷分析，量化判斷故障問題。

3 軋鋼機械振動故障診斷方法

3.1 定量分析法

很多設備僅從振動值本身難以判斷振動原因和振動部位，只能判斷振動是否異常。實際中，定量分析法往往和分步測量法一起使用進行判斷。分步測量法即對電機、減速機和軋機共同連接的設備，依次脫開軋機、減速機和電機連接的聯軸器，分別三機同時轉動和兩機轉動。

表1 所示為某套軋機的定量分析測試數據。通過振動對比可發現，電機與減速機雙機聯機時振動正常，電機、減速機和軋機三機聯機運行時所有設備振動均大幅增大，說明振動由軋機的工作異常造成。

表1 軋機定量分析振動數據

3.2 趨勢圖法

趨勢圖法是以在線監測的振動數據或定期測量的振動值為基礎，以時間為橫坐標，以振動值為縱坐標，畫出一臺或若干臺軋機的振動的變化趨勢圖或取出監控系統自動生成的趨勢圖，進行振動診斷的方法。圖1 是某鋼鐵企業3 臺不同軋機2019 年4 月1 日至2020 年9 月1 日的振動速度趨勢圖，從振動速度趨勢圖可發現，軋機1 在整個測定周期一直在使用，前6 個月時間振動速度基本穩定，從第6 個月到第12 個月之間振動緩慢升高，第12 個月升高至5.6 mm/s 左右之后升高速度放緩。據此判斷該軋機應為軸承或齒輪磨損。軋機2 前13 個月振動速度基本穩定，第14 個月振動突然躍升至2.6 mm/s，在第16 個月再次躍升至9.3 mm/s，遂停機檢修，發現其中兩個傳動齒輪齒根已經斷裂，在嚙合方向已經變形分別達3.2 mm 和1.5 mm。結合上述情況可以判斷，兩次振動速度的躍升為兩個齒輪的斷裂所引起，更換齒輪后，振動速度與原設備基本相近。軋機3 前4 個月振動保持在2.6 mm/s 左右基本不變，第5 和第7 個月停機2個月，開機后振動升至4.3 mm/s，隨后幾個月振動速度略有下降，最終維持在4.1 mm/s，據此判斷軋機3 的振動原因極大可能是停機期間軸系單側受力造成軸彎曲造成的。

圖1 軋機振動速度趨勢

3.3 頻譜分析法

頻譜分析法是將復雜的振動解析為不同頻率對應的振動的分析方法。很多設備僅看振動值很難判斷故障的具體部位。由于在同一轉速條件下不同的部位轉速和基準頻率不同，因此頻譜分析法可以定位到具體的部位和機構。圖2 為某軋機振動速度頻譜，從頻譜圖可發現，軋機的電機的振動，從振動頻譜上可以發現，除了有電機的自身旋轉頻率之外，還有減速機兩級齒輪的旋轉頻率，且減速機兩級齒輪的旋轉頻率對振動速度總值的貢獻高于自身旋轉頻率。說明電機振動高的原因是減速機的振動傳遞。

圖2 某軋機電機振動速度頻譜

除了上述常用的振動診斷方法外，還有軸心軌跡法和包絡分析法等振動診斷方法，分別對動平衡和軸承故障有一定的參考意義。

4 設備振動的管理和維護

4.1 控制好設備的零件及安裝精度

在設計加工機械設備過程中應當尊重實際需求，做好每個零部件的設計和加工，然后在具體施工中堅持以圖紙內容為依據進行加工。當所有加工工作結束后可以裝配軋鋼機械設備，對各個環節的精密度加強控制，保證精確地安裝好各個零部件，避免發生安裝失誤、順序錯亂等問題，保證裝配精度和裝配質量。

4.2 對設備中的重要零件狀態實時監測

可以利用傳感器等監測重要軋鋼機械設備的振動情況，比如在設備終端執行件、減速機和軸承安裝位置等各處安裝監測設備，保證第一時間發現設備的振動異常情況并且及時采取處理措施，避免產生嚴重的后果。在安裝好監測設備后可以對正常運行和停機狀態下的振動情況實時監測，由傳感器將測量的實際數據傳輸到集中控制系統，若出現異常振動由控制軟件給工作人員提示，讓工作人員根據監測到的數據對具體振動情況進行判斷，實現振動源高效快速、準確地定位，采取有效的控制振動的措施。

4.3 做好定期維護工作

在實際生產過程中需要定期維護和跟蹤軋鋼機械設備的運行狀態，這和定期維護修理有著異曲同工之處，主要是優化升級軋鋼機械設備，保證機械設備運行狀態始終維持在良好狀態。通過定期維護軋鋼機械設備可以及時發現設備運行中存在的問題并且快速采取解決辦法，同時定期維護能夠達到預防設備發生故障的效果，提升機械設備運行可靠性和穩定性，將發生問題的概率大大降低。合理的開展定期養護能夠延長設備使用壽命，實現設備運行優化。

相關維護人員和管理人員在實際開展軋鋼機械設備維護管理工作時，需要定期維護，將周期性維護的方案落到實處，同時靈活調整維護方案，根據實際操作情況做好設備常規檢測。如果設備運行中出現了意外情況，可以臨時指定維護方案處理未預見的問題。同時工作人員要注意密切關注和維護容易發生故障的設備部位，保證能夠實時準確地獲取設備的信息。對于高精密度的設備，維護人員要對多方面的影響因素加強考慮分析，尤其是溫濕度這些難以控制的因素，避免溫濕度對設備運行產生不利影響。在維護軋鋼機械設備過程中需要合理地控制周圍的環境，然后根據設備實際運行狀態、堅持加工質量為前提維護設備各個部件。同時維修人員還要不定期地開展軋鋼機械設備的巡視維護，對設備運行狀態加強關注，做好維修方法和計劃的制定，加強維修結果的綜合分析。

5 結語

在軋鋼生產過程當中，要對軋機的振動引起高度關注和重視，要客觀、全面的分析其振動原因，做出準確的振動故障判斷，并采取針對性的處理措施，以提高軋鋼機械運行的穩定性，確保軋鋼生產的質量、效率和安全性。