設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的運(yùn)用

1、17/17設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用摘要：高速線(xiàn)材廠軋機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)速度高、載荷變化頻繁、所軋制軋件溫度低的特點(diǎn)，設(shè)備的要緊故障是主傳動(dòng)設(shè)備的軸承、齒輪失效故障，占了總設(shè)備故障時(shí)刻的50%以上。傳動(dòng)設(shè)備的故障診斷，要通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，在獵取機(jī)械大量信息的基礎(chǔ)上，基于機(jī)器的故障機(jī)理，從中提取故障特征，進(jìn)行周密的分析，然后進(jìn)行診斷。通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的推廣應(yīng)用，達(dá)到預(yù)防為主的目的，有效的幸免過(guò)維修和欠維修，既減少了設(shè)備故障又降低了維修費(fèi)用，大大提高了作業(yè)率，為生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供了可靠的保障。關(guān)鍵詞：高速線(xiàn)材廠；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷技術(shù)；齒輪故障；軸承故障 1 前言設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

2、技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備在使用過(guò)程中的狀態(tài)，確定其整體或局部正?；虍惓?，早期發(fā)覺(jué)故障及其緣故，并能預(yù)報(bào)故障進(jìn)展趨勢(shì)的技術(shù)。通俗地講，它是一種給設(shè)備“看病”的技術(shù)。本文聯(lián)系高線(xiàn)廠預(yù)精軋機(jī)在實(shí)際工況條件下的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及依照采集到的振動(dòng)故障信號(hào)，對(duì)高線(xiàn)廠預(yù)精軋機(jī)進(jìn)行故障診斷，并簡(jiǎn)單介紹一下設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在高速線(xiàn)材軋機(jī)上的應(yīng)用。2 設(shè)備簡(jiǎn)介韶鋼高速線(xiàn)材廠設(shè)計(jì)年生產(chǎn)50萬(wàn)t，軋制規(guī)格5.020mm，成品設(shè)計(jì)速度140m/s，保證速度115m/s。關(guān)鍵設(shè)備從意大利DANIELI進(jìn)口，操縱系統(tǒng)由TMEIC設(shè)計(jì)。全線(xiàn)由30架軋機(jī)組成，粗、中、預(yù)精軋采納平立交替布置，BGV、TMB采納DANIEL

3、I45度角頂交布置。是目前世界最先進(jìn)的高速線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)之一。預(yù)精軋機(jī)組由4架285軋機(jī)組成，平立交替布置。機(jī)架間設(shè)有立活套。4架285軋機(jī)為懸臂輥環(huán)式結(jié)構(gòu)，具有如下特點(diǎn)：（1）軋機(jī)為軋輥箱插入式機(jī)構(gòu)。機(jī)架由軋輥箱和齒輪箱（錐箱）組成；（2）軋輥箱箱體帶有法蘭面板，用來(lái)與齒輪箱連接。箱體內(nèi)裝有偏心套機(jī)構(gòu)用來(lái)調(diào)整輥縫。偏心套內(nèi)裝有油膜軸承與軋輥軸，在懸臂的軋輥軸端用錐套固定輥環(huán)。水平機(jī)架與立式機(jī)架共用一種軋輥箱；（3）水平機(jī)架的齒輪箱內(nèi)由輸入軸和同步齒輪軸組成；（4） 立式機(jī)架的齒輪箱內(nèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)比水平機(jī)架多了一對(duì)螺旋傘齒輪，用來(lái)改變傳、動(dòng)方向和調(diào)整速比，其余部分與水平機(jī)架相同；（5）輥縫的調(diào)節(jié)是旋

4、轉(zhuǎn)一根帶左、右絲扣和螺母的絲桿，使兩組偏心套相對(duì)旋轉(zhuǎn)，兩軋輥軸的間距隨偏心套的旋轉(zhuǎn)相對(duì)軋線(xiàn)對(duì)稱(chēng)移動(dòng)而改變輥縫，并保持原有軋線(xiàn)及導(dǎo)衛(wèi)的位置不變；（6）輥環(huán)通過(guò)錐套連接在懸臂的軋輥軸上，用專(zhuān)用的換輥工具更換輥環(huán)；（7）全部齒輪均為硬齒面磨削齒輪，齒面修形，輥箱齒輪精度5 級(jí)，螺傘齒輪為格里森齒型，精度5級(jí)。齒輪、齒輪軸、螺傘齒輪均為滲碳鋼(20CrNi2Mo)。（8）軋機(jī)滾動(dòng)軸承及油膜軸承全部采納進(jìn)口軸承（摩根專(zhuān)用軸承）。預(yù)精軋機(jī)立式機(jī)架錐箱結(jié)構(gòu)如圖1所示,軸、軸是通過(guò)1、2兩螺旋傘齒輪傳動(dòng)，軸、軸是通過(guò)3、4兩斜齒輪傳動(dòng)。三條軸分不由不同型號(hào)的滾動(dòng)軸承支撐（如圖1中）。錐箱內(nèi)各齒輪軸承參數(shù)見(jiàn)表1

5、、表2。表1 預(yù)精軋機(jī)16#錐箱齒輪齒數(shù)齒輪序號(hào)1234齒數(shù)355333333 狀態(tài)監(jiān)測(cè)如圖2、3所示，2006年5月30日和6月13日測(cè)得的頻譜分析圖是16立式軋機(jī)分不在轉(zhuǎn)速為610rpm和666rpm的轉(zhuǎn)速下測(cè)得的，兩圖有明顯的差異。盡管兩副頻譜中顯示的振動(dòng)幅值都表2 預(yù)精軋機(jī)16#錐箱軸承參數(shù)軸承序號(hào)滾動(dòng)體數(shù)Z節(jié)徑D（）滾動(dòng)體直徑d（）接觸角1186.49610.866102206.56790.8125293186.49610.8823804123.74020.826805113.44490.8437406102.26380.530圖1 預(yù)精軋立式機(jī)架錐箱結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)入ISO3495旋轉(zhuǎn)機(jī)

6、械的振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域，但兩次測(cè)得的結(jié)果一次基波振動(dòng)副值逐漸增加,且兩圖中二、三、四、五次諧波都有明顯的突起。證明錐箱內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)情況逐漸劣化，存在設(shè)備隱患。由于傳感器安裝位置上的差異，機(jī)械振動(dòng)烈度未超出ISO3495標(biāo)準(zhǔn)并不能講明設(shè)備是正常的。因此狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要每天進(jìn)行記錄，并要求將監(jiān)測(cè)到的結(jié)果與歷史記錄比對(duì)，從中找出變化趨勢(shì)，才能推斷出真實(shí)的設(shè)備狀態(tài)。嚙合頻率嚙合頻率基頻下邊頻上邊頻2倍頻3倍頻4倍頻5倍頻43210mm/secPeakMagLin0 500 1000 1500 2000Hz Lin圖2 劣化前期頻譜分析4321043210LinRMSmm/secMag嚙合頻率基頻嚙合頻率基頻2

7、倍頻3倍頻4倍頻5倍頻下邊頻上邊頻0 500 1000 1500 2000Hz Lin圖3 劣化中頻譜分析4 故障診斷高速線(xiàn)材軋機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)速度高、載荷變化頻繁、所軋制軋件溫度低的特點(diǎn)，設(shè)備的要緊故障是主傳動(dòng)設(shè)備的軸承、齒輪失效故障，占了總設(shè)備故障時(shí)刻的50%以上。傳動(dòng)設(shè)備的故障診斷，要通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，在獵取機(jī)械大量信息的基礎(chǔ)上，基于機(jī)器的故障機(jī)理，從中提取故障特征，進(jìn)行周密的分析，才能進(jìn)行診斷。4.1 齒輪故障診斷由嚙合剛度的周期變化形成的振動(dòng)信號(hào)X（t）不管齒輪處于正?；虍惓顟B(tài)下，這一振動(dòng)成分總是存在的。只是兩種狀態(tài)下振動(dòng)的水平是有差異的。當(dāng)齒輪的制造與安裝誤差、剝落、裂紋等故障產(chǎn)生時(shí)，齒輪

8、的嚙合剛度降低，從而產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的振動(dòng)。如此，測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)X（t）畸變加劇，在頻譜圖上，嚙合頻率處的譜值會(huì)增加得更大。同時(shí)，這些故障會(huì)直接成為振動(dòng)的激勵(lì)源，使齒輪振動(dòng)信號(hào)中含有軸的回轉(zhuǎn)頻率及其倍頻，而故障齒輪的振動(dòng)信號(hào)往往表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)頻率對(duì)嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制，調(diào)制頻率即為齒輪軸的回轉(zhuǎn)頻率frn/60。在頻譜圖上形成以嚙合頻率為中心、兩個(gè)等間隔分布的邊頻帶。由于調(diào)頻和調(diào)幅的共同作用，最后形成的頻譜表現(xiàn)為以嚙合頻率及其各次諧波為中心的一系列邊頻帶群，邊頻帶反映故障源信息，邊頻帶的間隔反映了故障源的頻率，幅值的變化表示了故障的程度。由此可見(jiàn)，在已知齒輪齒數(shù)及轉(zhuǎn)速的情況下測(cè)取齒輪的振動(dòng)信號(hào)，并做頻

9、譜分析，推斷嚙合頻率及高次諧波頻率處的譜幅是否異常，邊頻譜幅是否異常，即可診斷齒輪有無(wú)故障。4.1.1 齒輪常見(jiàn)故障齒輪本身的故障有以下幾種：一是造誤差：偏心，周節(jié)誤差和齒形誤差；二是裝配不良：不同軸，不對(duì)中，齒輪副的軸線(xiàn)不平行；三是齒輪的損傷：斷裂、磨料磨損、膠合撕傷、疲勞剝落等。4.1.2 齒輪的嚙合頻率和固有頻率嚙合頻率：fzn1/60Z1n2/60Z2（1）式中，n1 、n2為傳動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速（rpm）；Z1 、Z2為傳動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪的齒數(shù)。12Km12Km式中，m為齒輪副的等效質(zhì)量；K為齒輪副的等效彈簧常數(shù)（等效剛度）。齒輪在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，為齒輪承受沖擊載荷時(shí)發(fā)生的

10、自由振動(dòng)，不管在正常和異常狀態(tài)下都有固有頻率產(chǎn)生。4.1.3 頻譜分析依照錐箱齒輪的齒數(shù)，按（1）式可計(jì)算出16#軋機(jī)錐箱內(nèi)各級(jí)齒輪的嚙合頻率（見(jiàn)表3）。表3 預(yù)精軋機(jī)16#錐箱內(nèi)各級(jí)齒輪嚙合頻率輸入軸轉(zhuǎn)速n （rpm）軸嚙合頻率（Hz）嚙合頻率（Hz）610355.63221.43666388.27241.76對(duì)應(yīng)圖2、圖3中振動(dòng)幅值明顯突出位置的基波頻率355Hz、387.5Hz與表3中計(jì)算后得到的嚙合頻率進(jìn)行比較能夠發(fā)覺(jué)，理論計(jì)算所得的軸嚙合頻率與實(shí)際測(cè)得的基波振動(dòng)信號(hào)頻率幾乎完全能夠?qū)?yīng)上，同時(shí)差不多出現(xiàn)了故障特征頻率的2、3、4、5倍頻。這講明16軋機(jī)振動(dòng)的緣故可能來(lái)自于軸傘齒輪的嚙

11、合不良，或是齒輪存在某種情況的失效。4.2 滾動(dòng)軸承故障診斷4.2.1 滾動(dòng)軸承失效形式滾動(dòng)軸承是是機(jī)械設(shè)備中最容易損壞的元件之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障約有30%是因滾動(dòng)軸承引起的。依照工況條件和工作環(huán)境不同，滾動(dòng)軸承的損壞情況及其緣故是十分復(fù)雜的，一個(gè)出現(xiàn)故障的軸承可能同時(shí)存在多種損壞現(xiàn)象，而其中每一種現(xiàn)象都可能是由多種不同的緣故引起的；同一個(gè)緣故也可能引起多種不同的損壞現(xiàn)象。滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的故障是疲勞點(diǎn)蝕及保持架失去平衡。4.2.2 滾動(dòng)軸承特征頻率的計(jì)算(外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng))內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：fr=N/60 （3）內(nèi)圈滾道上一個(gè)剝落點(diǎn)的故障頻率：fi1/2Z（1d/Dcos）fr （

12、4）外圈滾道上一個(gè)剝落點(diǎn)的故障頻率：fo1/2Z（1d/Dcos）fr （5）滾動(dòng)體上一個(gè)剝落點(diǎn)的故障頻率：fbD/2d1（d/D）2cos2fr （6）保持架不平衡的故障頻率：fc1/2(1d/Dcos) fr （7）內(nèi)圈滾道不圓的故障頻率：fr，2fr，3fr，,nfr。 （8）式中，D為軸承節(jié)徑；d為滾動(dòng)體直徑；為接觸角；Z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；N為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速（外圈固定）。輸入軸轉(zhuǎn)速n （rpm）軸承序號(hào)fifofbFc6101103.5879.2174.814.42112.5390.5681.124.52368.2252.8252.012.95449.2631.4228.932.65543.92

13、30.0526.542.75639.9627.1429.252.716661113.0986.4881.684.812122.8698.8788.574.94374.4857.6756.783.22453.7834.3031.582.89547.9532.8028.972.99643.6429.6231.942.96對(duì)應(yīng)圖2、圖3中振動(dòng)幅值明顯突出位置的基波頻率355Hz、387.5Hz與表4中計(jì)算后得到的表4 經(jīng)計(jì)算得各軸承在兩不同轉(zhuǎn)速下的故障特征頻率軸承故障頻率進(jìn)行比較能夠發(fā)覺(jué)，理論計(jì)算所得各軸承故障頻率與實(shí)際測(cè)得的基波振動(dòng)信號(hào)頻率相差較遠(yuǎn)。這講明從理論上講16軋機(jī)振動(dòng)的緣故不可能來(lái)自于軸承。5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢查結(jié)果停機(jī)檢修發(fā)覺(jué)實(shí)際情況與診斷結(jié)果差不多一致。軸傘齒輪的嚙合不良，接觸面不足50%。傳動(dòng)齒有一處點(diǎn)蝕現(xiàn)象，其它齒輪正常。更換齒輪后，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，再次測(cè)量錐箱振動(dòng)，已恢復(fù)正常狀態(tài)。6 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在高線(xiàn)線(xiàn)材軋機(jī)上的應(yīng)用，關(guān)心點(diǎn)檢維護(hù)人員確定傳動(dòng)系統(tǒng)中零部件確切的失效位置及其故障進(jìn)展趨勢(shì)，可能被監(jiān)測(cè)部件的預(yù)期壽命。點(diǎn)檢維護(hù)人員針對(duì)具體情況作出決策，安排巡回監(jiān)測(cè)、監(jiān)護(hù)運(yùn)行或立即停機(jī)檢修，在確保安全的前提下，幸免不必要的停機(jī)，延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行周期。這種防患于未然的處理方法使得設(shè)備故障在未發(fā)生前得到恰當(dāng)處理，變事后維修為預(yù)防維修，大大