于維棟 張海波 張洪星 李 瑩

（日照鋼鐵有限公司 山東日照 276800）

1 前言

日照鋼鐵有限公司高速線材廠生產(chǎn)線共4條，全部由唐山鋼鐵設(shè)計院設(shè)計并總包建設(shè)而成，4條生產(chǎn)線的主體設(shè)備除1＃線、2＃線雙模塊和3臺打包機是進口設(shè)備外，其它設(shè)備是由國內(nèi)廠家生產(chǎn)制造，并分別于2006、2007年投產(chǎn)。四條生產(chǎn)線軋機轉(zhuǎn)速從方坯到成品速度遞增，作為壓力加工設(shè)備，精軋機組因其處于生產(chǎn)線末端，其內(nèi)的軸承在承受較大壓力外同時被施加很高的轉(zhuǎn)速，加之維護水平不夠，在定期更換軋機需停機之外，還有因軸承意外損壞導致的非計劃維修停機，為正常生產(chǎn)帶來了不利影響，所以對軋機軸承運行狀態(tài)的在線監(jiān)測有至關(guān)重要的作用。

圖1 滾動軸承振動的時域信號

2 滾動軸承的振動機理與特征頻率

引起滾動軸承振動的因素很多，有與部件有關(guān)的振動，也有與制造質(zhì)量有關(guān)的振動，還有與軸承裝配以及工作狀態(tài)有關(guān)的振動。如圖1所示，通過對軸承振動的剖析，找出激勵特點，并通過不同的檢測分析方法，從振動信號中，獲取振源的可靠信息，用以進行滾動軸承的故障診斷。

當軸承運轉(zhuǎn)時，滾動體便在內(nèi)外圈之間滾動。軸承的滾動表面雖加工得非常平滑，但從微觀來看，仍高低不平，特別是材料表面產(chǎn)生疲勞斑剝時，高低不平的情況更為嚴重。滾動體在這些凹凸面上轉(zhuǎn)動，則產(chǎn)生交變的激振力。所產(chǎn)生的振動，既是隨機的，又含有滾動體的傳輸振動，其主要頻率成分為滾動軸承的特征頻率。滾動軸承的特征頻率（即接觸激發(fā)的基頻），完全可以根據(jù)軸承元件之間滾動接觸的速度關(guān)系建立的方程求得。計算的特征頻率值往往十分接近測量數(shù)值，所以在診斷前總是先算出這些值，作為診斷的依據(jù)。

圖2為角接觸球軸承示意圖。

滾動軸承缺陷頻率包括內(nèi)圈缺陷頻率（f內(nèi)）、外圈缺陷頻率（f外）、滾動體缺陷頻率（f滾）、保持架缺陷頻率（f架），其計算公式如下：

圖2 角接觸球軸承示意圖

其中 Nb—軸承滾子數(shù)；

na—軸的轉(zhuǎn)速；

Bd—滾子直徑；

Pd—滾子分度圓直徑；

A—接觸角度數(shù)。

在故障診斷的實踐中，內(nèi)圈缺陷頻率f內(nèi)、外圈缺陷頻率f外對表面缺陷有較高的敏感度，是重要的參照指標。

3 高速線材廠滾動軸承的信號分析方法

軸承故障信號的拾取實際上是傳感器及安裝部位和感應(yīng)頻率段的選擇。傳感器的安裝部位往往選擇軸承座部位，并按信號傳動的方向選擇垂直、水平、軸向布置。如圖3所示是滾動軸承在故障試驗中得到的頻譜圖，軸承的故障信號分布在3個頻段，即圖中陰影部分。

圖3 滾動軸承的振動頻譜

1）低頻段：在8kHz以下，滾動軸承中與結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系相聯(lián)系的故障信號在這個頻率段，少數(shù)高速滾動軸承的信號頻段能延展到B點以外。因為軸的故障信號、齒輪的故障信號也在這個頻段，因而這也是高線精軋機軸承頻譜分析的主要頻段。

2）高頻段：位于Ⅱ區(qū)，這個頻段的信號是軸承故障所激發(fā)的軸承自振頻率的振動。

3）超高頻段：位于Ⅲ區(qū)，它們是軸承內(nèi)微裂紋擴張所產(chǎn)生的聲發(fā)射超聲波信號。

高線精軋機軸承頻譜分析采用SKF公司開發(fā)的加速度傳感器，圖4為日鋼高線精軋機組示意圖，精軋機電機通過增速箱加速，帶動十臺錐齒輪箱轉(zhuǎn)動，圖5為精軋機錐齒輪箱傳感器安裝位置示意圖，圖中圓形所示，通過安裝在每臺齒輪箱輸入輸出兩端的傳感器采集振動數(shù)據(jù)，將振動數(shù)據(jù)通過分析軟件生成包絡(luò)趨勢圖、包絡(luò)頻譜圖和速度趨勢圖、速度頻譜圖，再將不同型號軸承的特征頻率計算出，添加到頻譜圖中，從而分析軸承的運行狀態(tài)是否正常。

圖4 精軋機組示意圖

圖5 錐齒輪箱傳感器安裝示意圖（其中A、B、C、D、E都是軸承）

4 頻譜分析的應(yīng)用實例

根據(jù)高速線材廠精軋機實際情況，擬用加速度包絡(luò)值和速度值來作為表征軋機振動強度的兩種指標，其中加速度包絡(luò)值的單位是gE，速度值的單位是mm／s，然后設(shè)置合適的報警值，對振動強度超過報警值的設(shè)備進行分析研究。

4.1 2＃高線28＃錐齒輪箱、20＃錐齒輪箱軸承磨損實例

如圖6、圖7所示，分別為2＃線28＃錐箱的包絡(luò)趨勢圖和包絡(luò)頻譜圖，由包絡(luò)趨勢圖可以看出從2013年12月中旬錐箱的振動值出現(xiàn)了大幅增加，振動值一直高于設(shè)置的紅色報警值12gE，圖8中標注的數(shù)字是型號為162250Y（SMS）軸承的外圈缺陷頻率，所以推測是錐齒輪箱軸承出現(xiàn)了磨損。

圖62 8＃錐箱包絡(luò)趨勢圖

圖7 未標注軸承的包絡(luò)頻譜圖

圖8 標注軸承缺陷頻率的包絡(luò)頻譜圖

如圖9、圖10所示，分別為20＃錐齒輪箱的包絡(luò)趨勢圖和包絡(luò)頻譜圖，由包絡(luò)趨勢圖可知，該錐齒輪箱從2014年1月20日開始振動值大幅增加，超過紅色報警值12gE，圖10中標注的數(shù)字是型號為162250Y（SMS）軸承的內(nèi)圈缺陷頻率，所以推測是錐齒輪箱縱軸的軸承出現(xiàn)磨損。

分析出錐箱異常原因后，及時安排檢修更換錐箱，線下對錐箱進行拆檢，如圖11所示，拆下軸承后發(fā)現(xiàn)軸承出現(xiàn)了嚴重的磨損和點蝕。

4.2 3＃高線精軋機增速箱軸承磨損實例

從11月初點檢人員發(fā)現(xiàn)3＃高線精軋機增速箱振動值偏高，聲音異常，如圖12、圖13、圖14分別是增速箱輸入端監(jiān)測到的振動趨勢圖、振動包絡(luò)頻譜圖和速度頻譜圖，由振動趨勢圖可以發(fā)現(xiàn)增速箱的包絡(luò)值達到25gE以上，大幅超出了紅色報警值12gE，而包絡(luò)譜和速度譜中同時存在9.86階的諧波頻率，通過對增速箱內(nèi)部軸承參數(shù)的計算，得出此諧波頻率為增速箱1622 50B（SMS）的外圈缺陷頻率。

圖9 20＃錐箱包絡(luò)趨勢圖

圖10 標注軸承的包絡(luò)頻譜圖

分析出增速箱162250B（SMS）軸承磨損之后，安排檢修對增速箱軸承進行在線更換，如圖15所示，可以發(fā)現(xiàn)軸承外圈發(fā)生了嚴重磨損。

圖11 軸承拆檢圖

5 結(jié)論

1）利用頻譜分析對高速線材廠軋機運行狀況進行在線監(jiān)測，效果顯著：

圖12 增速箱的包絡(luò)趨勢圖

圖13 增速箱的包絡(luò)頻譜圖

圖14 增速箱的速度頻譜圖

圖15 軸承拆檢圖

（1）由軸承不良運行損壞導致的直接費用為每臺精軋機2萬元，四條線一年按7臺算，一年可減少損失14萬元；頻譜分析對高線精軋機的狀態(tài)進行在線監(jiān)測，一方面可以提前準確的獲知設(shè)備的運行狀況，防患于未然，另一方面可以確定異常精軋機的問題所在，及時處理，大大降低了非計劃維修停機時間，減少了經(jīng)濟損失，為正常生產(chǎn)提供了保障。

［1］徐敏.振動信號分析與機構(gòu)故障診斷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1991.

［2］芮執(zhí)元.基于倒譜理論的滾動軸承故障檢測［D］.蘭州：蘭州理工大學，2007：35-37.

［3］韓慶大.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)［M］.沈陽：東北大學設(shè)備診斷工程中心，2005.