設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的運用

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

2、技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部正?；虍惓?，早期發(fā)覺故障及其緣故，并能預報故障進展趨勢的技術(shù)。通俗地講，它是一種給設(shè)備“看病”的技術(shù)。本文聯(lián)系高線廠預精軋機在實際工況條件下的狀態(tài)監(jiān)測，以及依照采集到的振動故障信號，對高線廠預精軋機進行故障診斷，并簡單介紹一下設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在高速線材軋機上的應(yīng)用。2 設(shè)備簡介韶鋼高速線材廠設(shè)計年生產(chǎn)50萬t，軋制規(guī)格5.020mm，成品設(shè)計速度140m/s，保證速度115m/s。關(guān)鍵設(shè)備從意大利DANIELI進口，操縱系統(tǒng)由TMEIC設(shè)計。全線由30架軋機組成，粗、中、預精軋采納平立交替布置，BGV、TMB采納DANIEL

3、I45度角頂交布置。是目前世界最先進的高速線材生產(chǎn)線之一。預精軋機組由4架285軋機組成，平立交替布置。機架間設(shè)有立活套。4架285軋機為懸臂輥環(huán)式結(jié)構(gòu)，具有如下特點：（1）軋機為軋輥箱插入式機構(gòu)。機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，用來與齒輪箱連接。箱體內(nèi)裝有偏心套機構(gòu)用來調(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)。水平機架與立式機架共用一種軋輥箱；（3）水平機架的齒輪箱內(nèi)由輸入軸和同步齒輪軸組成；（4） 立式機架的齒輪箱內(nèi)的傳動系統(tǒng)比水平機架多了一對螺旋傘齒輪，用來改變傳、動方向和調(diào)整速比，其余部分與水平機架相同；（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，使兩組偏心套相對旋轉(zhuǎn)，兩軋輥軸的間距隨偏心套的旋轉(zhuǎn)相對軋線對稱移動而改變輥縫，并保持原有軋線及導衛(wèi)的位置不變；（6）輥環(huán)通過錐套連接在懸臂的軋輥軸上，用專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，螺傘齒輪為格里森齒型，精度5級。齒輪、齒輪軸、螺傘齒輪均為滲碳鋼(20CrNi2Mo)。（8）軋機滾動軸承及油膜軸承全部采納進口軸承（摩根專用軸承）。預精軋機立式機架錐箱結(jié)構(gòu)如圖1所示,軸、軸是通過1、2兩螺旋傘齒輪傳動，軸、軸是通過3、4兩斜齒輪傳動。三條軸分不由不同型號的滾動軸承支撐（如圖1中）。錐箱內(nèi)各齒輪軸承參數(shù)見表1

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

6、械的振動烈度標準危險區(qū)域，但兩次測得的結(jié)果一次基波振動副值逐漸增加,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，機械振動烈度未超出ISO3495標準并不能講明設(shè)備是正常的。因此狀態(tài)監(jiān)測需要每天進行記錄，并要求將監(jiān)測到的結(jié)果與歷史記錄比對，從中找出變化趨勢，才能推斷出真實的設(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 故障診斷高速線材軋機具有運轉(zhuǎn)速度高、載荷變化頻繁、所軋制軋件溫度低的特點，設(shè)備的要緊故障是主傳動設(shè)備的軸承、齒輪失效故障，占了總設(shè)備故障時刻的50%以上。傳動設(shè)備的故障診斷，要通過在線監(jiān)測，在獵取機械大量信息的基礎(chǔ)上，基于機器的故障機理，從中提取故障特征，進行周密的分析，才能進行診斷。4.1 齒輪故障診斷由嚙合剛度的周期變化形成的振動信號X（t）不管齒輪處于正?；虍惓顟B(tài)下，這一振動成分總是存在的。只是兩種狀態(tài)下振動的水平是有差異的。當齒輪的制造與安裝誤差、剝落、裂紋等故障產(chǎn)生時，齒輪

8、的嚙合剛度降低，從而產(chǎn)生更為強烈的振動。如此，測得的振動信號X（t）畸變加劇，在頻譜圖上，嚙合頻率處的譜值會增加得更大。同時，這些故障會直接成為振動的激勵源，使齒輪振動信號中含有軸的回轉(zhuǎn)頻率及其倍頻，而故障齒輪的振動信號往往表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)頻率對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，在已知齒輪齒數(shù)及轉(zhuǎn)速的情況下測取齒輪的振動信號，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，即可診斷齒輪有無故障。4.1.1 齒輪常見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，不對中，齒輪副的軸線不平行；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為傳動齒輪、被動齒輪的轉(zhuǎn)速（rpm）；Z1 、Z2為傳動齒輪、被動齒輪的齒數(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）。齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生的振動，為齒輪承受沖擊載荷時發(fā)生的

10、自由振動，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）式可計算出16#軋機錐箱內(nèi)各級齒輪的嚙合頻率（見表3）。表3 預精軋機16#錐箱內(nèi)各級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對應(yīng)圖2、圖3中振動幅值明顯突出位置的基波頻率355Hz、387.5Hz與表3中計算后得到的嚙合頻率進行比較能夠發(fā)覺，理論計算所得的軸嚙合頻率與實際測得的基波振動信號頻率幾乎完全能夠?qū)?yīng)上，同時差不多出現(xiàn)了故障特征頻率的2、3、4、5倍頻。這講明16軋機振動的緣故可能來自于軸傘齒輪的嚙

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

12、4）外圈滾道上一個剝落點的故障頻率：fo1/2Z（1d/Dcos）fr （5）滾動體上一個剝落點的故障頻率：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為滾動體直徑；為接觸角；Z為滾動體個數(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對應(yīng)圖2、圖3中振動幅值明顯突出位置的基波頻率355Hz、387.5Hz與表4中計算后得到的表4 經(jīng)計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行比較能夠發(fā)覺，理論計算所得各軸承故障頻率與實際測得的基波振動信號頻率相差較遠。這講明從理論上講16軋機振動的緣故不可能來自于軸承。5 現(xiàn)場實際檢查結(jié)果停機檢修發(fā)覺實際情況與診斷結(jié)果差不多一致。軸傘齒輪的嚙合不良，接觸面不足50%。傳動齒有一處點蝕現(xiàn)象，其它齒輪正常。更換齒輪后，開機運行，再次測量錐箱振動，已恢復正常狀態(tài)。6 結(jié)束語通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在高線線材軋機上的應(yīng)用，關(guān)心點檢維護人員確定傳動系統(tǒng)中零部件確切的失效位置及其故障進展趨勢，可能被監(jiān)測部件的預期壽命。點檢維護人員針對具體情況作出決策，安排巡回監(jiān)測、監(jiān)護運行或立即停機檢修，在確保安全的前提下，幸免不必要的停機，延長設(shè)備的運行周期。這種防患于未然的處理方法使得設(shè)備故障在未發(fā)生前得到恰當處理，變事后維修為預防維修，大大