任戰(zhàn)鋒，柴自豪，王衛(wèi)超

(洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 冷軋?jiān)O(shè)備振動(dòng)理論基礎(chǔ)

板帶是鋼鐵工業(yè)的主要核心產(chǎn)品，在眾多的鋼鐵板帶產(chǎn)品中冷軋薄板占到總參量的1/4。冷軋鋼板在軋制過(guò)程中，主要依靠軋件和軋輥間產(chǎn)生的摩擦力將軋件在鋼材再結(jié)晶的物理溫度下送進(jìn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軋輥之間的縫隙中，使之受到軋輥間的壓縮力而產(chǎn)生壓縮形變的過(guò)程。真實(shí)軋制設(shè)備的主傳動(dòng)系統(tǒng)是極其復(fù)雜的，但是為了理論分析方便，通常對(duì)實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將各個(gè)質(zhì)量部分按照重心恒定的原則集中在幾個(gè)等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量圓盤上，各個(gè)圓盤之間再用具有等效扭矩的彈性軸相互關(guān)聯(lián)，這就形成了一個(gè)多自由度簡(jiǎn)化冷軋主傳動(dòng)系統(tǒng)模型。下面對(duì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的基本參數(shù)進(jìn)行介紹。

（1）軋制變形區(qū)。軋制變形區(qū)表示鋼材在軋制過(guò)程中軋件與軋輥直接接觸而壓縮變形的區(qū)域，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 軋制變形區(qū)參數(shù)

（2）變形系數(shù)。變形系數(shù)表示在軋制過(guò)程中軋件壓縮形變，使得軋件在三個(gè)方向上的尺寸變形情況，即軋件高度由h0變化為h1，它的比值h1/h0=η就為高度方向上的變形系數(shù)，其中η又叫壓下系數(shù)。

軋件寬度b0增加到b1，它的比值b1/b0=ζ表示軋件寬度方向上的變化情況，其中ζ又叫做寬度系數(shù)。由于冷軋鋼帶的寬度變化量極小，一般設(shè)定ζ為1。

軋件的長(zhǎng)度由L0變化為L(zhǎng)1，它的比值L1/L0=λ表示軋件長(zhǎng)度方向的變化情況，其中λ叫做延伸系數(shù)。

因?yàn)檐埣捏w積在軋制前后是保持不變的，所以根據(jù)體積不變定律，三個(gè)變形系數(shù)間的相互關(guān)系可表示為：h0b0L0=h1b1L1。

所以：ηζλ=1。

冷軋鋼帶又可寫(xiě)為：ηζ=1。

（3）絕對(duì)和相對(duì)壓下量。在計(jì)算軋件形變時(shí)，業(yè)界一般用絕對(duì)壓下量來(lái)表示在高度方向的軋件變形情況，表示為： Δ h = h0-h1。

絕對(duì)壓下量與軋件原始高度的比值就稱為相對(duì)壓下量，用符號(hào)ε表示。

當(dāng)無(wú)寬展時(shí)，則：

（4）冷軋軋制公式。冷軋軋制壓力公式一般采取下列形式：

各個(gè)系數(shù)如表2所示。

表2 冷軋軋制系數(shù)

2 冷軋?jiān)O(shè)備機(jī)械故障診斷分析系統(tǒng)

本文采用的冷軋?jiān)O(shè)備機(jī)械故障診斷分析系統(tǒng)流程圖如圖1所示。其中被診系統(tǒng)就是冷軋?jiān)O(shè)備，振動(dòng)信號(hào)采集模塊采用的是德國(guó)普魯夫VIBXPERT?Ⅱ型振動(dòng)測(cè)量分析儀，它包含兩個(gè)模擬輸出信道，可同時(shí)測(cè)量?jī)陕氛駝?dòng)信號(hào)，頻率范圍從0.5Hz到40kHz，加速度和振動(dòng)位移誤差精度都在±1%，測(cè)量精度很高。測(cè)量得到的振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移信號(hào)經(jīng)過(guò)故障信號(hào)處理變換為頻域信號(hào)，通過(guò)分析振動(dòng)特征的頻譜信號(hào)來(lái)獲取軋機(jī)的工作狀況，再根據(jù)故障特征設(shè)置頻譜判據(jù)，以此得出軋機(jī)的故障類型和故障部位，并進(jìn)一步給出診斷決策。本文采用的機(jī)械故障診斷分析方法為聲音頻譜分析法，頻譜分析法是機(jī)械設(shè)備故障分析中常用的處理方法之一，該方法的核心是如何將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l譜信號(hào)，其中最通用的變換方法是傅里葉變換（FFT），它可以把復(fù)雜的噪聲信號(hào)進(jìn)行頻域分解得到有限或者無(wú)限個(gè)頻率的動(dòng)態(tài)信號(hào)分量。而這些動(dòng)態(tài)信號(hào)的幅值、相位、功率以及能量等與頻率的關(guān)系用圖形表示出來(lái)就是頻譜圖。

圖1 冷軋軋制系數(shù)

由傅里葉變換得到的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖進(jìn)入故障判據(jù)系統(tǒng)，而故障判據(jù)的主要功能就是根據(jù)一些振動(dòng)噪聲的頻譜特征來(lái)判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，為設(shè)備的正常運(yùn)行以及適時(shí)維修提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。由于設(shè)備各個(gè)零部件的運(yùn)行特性之間存在較大差異，不同的零部件在類似的運(yùn)行工況下的機(jī)器的振動(dòng)噪聲頻譜也會(huì)出現(xiàn)很大的差異。同一頻譜的振動(dòng)噪聲水平在一個(gè)零部件上可能反映的是良好的工況，而在另一個(gè)量部件上就可能反映的是嚴(yán)重的機(jī)械故障，因此需要對(duì)不同的部件設(shè)立不同的振動(dòng)噪聲判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際的機(jī)械故障檢測(cè)中建立機(jī)械振動(dòng)噪聲狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的方法有許多，常見(jiàn)的有類比判斷法、頻譜圖報(bào)警判據(jù)法以及振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)法等等。基于本文振動(dòng)信號(hào)的處理方式為頻譜分析方法，所以本系統(tǒng)采用的故障判據(jù)方法是噪聲頻譜圖報(bào)警判據(jù)法。根據(jù)判據(jù)的不同，又將頻譜圖報(bào)警法細(xì)分為寬頻帶報(bào)警和窄頻帶報(bào)警這兩種工作模式。其中寬頻帶報(bào)警模式選擇的判據(jù)是機(jī)械設(shè)備正常狀態(tài)的振動(dòng)噪聲頻譜圖，在預(yù)設(shè)的頻段內(nèi)設(shè)定若干個(gè)報(bào)警頻率，一旦某些頻段的頻率值超過(guò)報(bào)警頻率設(shè)備就會(huì)處于報(bào)警狀態(tài)。而窄頻段報(bào)警與寬頻段報(bào)警的不同之處是：窄頻段報(bào)警的報(bào)警線針對(duì)某些頻譜，例如設(shè)備轉(zhuǎn)頻或者轉(zhuǎn)頻的倍頻等，同樣一旦這些頻段的值超過(guò)報(bào)警線即處于報(bào)警狀態(tài)。針對(duì)設(shè)備特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)條件，本文具體采用的是窄頻段報(bào)警方式。

在使用設(shè)備機(jī)械故障診斷分析系統(tǒng)對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行分析時(shí)，必須盡可能詳細(xì)的收集到可能得到的所有信息（主要包括：機(jī)械設(shè)備的基本參數(shù)；振動(dòng)檢測(cè)分析趨勢(shì)記錄；設(shè)備損壞維修紀(jì)錄以及各種振動(dòng)噪聲頻譜信號(hào)等）才能實(shí)現(xiàn)故障類型的有效診斷。

3 冷軋?jiān)O(shè)備常見(jiàn)的機(jī)械故障種類與典型案例分析

加工車間現(xiàn)場(chǎng)的冷軋?jiān)O(shè)備的正常工作對(duì)于保障企業(yè)產(chǎn)能至關(guān)重要，而一旦出現(xiàn)設(shè)備機(jī)械故障造成生產(chǎn)線停運(yùn)，將會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率。經(jīng)過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn)在實(shí)際加工生產(chǎn)當(dāng)中，設(shè)備常見(jiàn)的機(jī)械故障零件主要在齒輪、轉(zhuǎn)子以及滾動(dòng)軸承上，比較集中的故障類型有轉(zhuǎn)子不對(duì)中、軸承不平衡等。下面針對(duì)冷軋?jiān)O(shè)備幾種比較常見(jiàn)的機(jī)械零件故障進(jìn)行噪聲信號(hào)的頻譜分析，研究故障產(chǎn)生的原因，同時(shí)給出相對(duì)應(yīng)的解決方案。

（1）齒輪故障。由于齒輪結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中各部分受力不均從而產(chǎn)生一些比較特殊的故障，例如節(jié)線偏斜、齒距誤差、偏心、點(diǎn)蝕以及剝落和斷齒等。而這些故障通常由安裝調(diào)整不當(dāng)、潤(rùn)滑不足、過(guò)量磨損導(dǎo)致金屬疲勞以及超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和出廠制造缺陷等造成。以上故障雖然可以在振動(dòng)噪聲的頻譜圖上反映出來(lái)，但由于齒輪箱振動(dòng)頻譜圖噪聲分布密集，很難辨識(shí)出每種故障。所以我們提出了一個(gè)改進(jìn)方法：針對(duì)不同的齒輪箱，先在其工作狀態(tài)良好的情況下采集其噪聲基準(zhǔn)頻譜圖，然后通過(guò)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷過(guò)程中與基準(zhǔn)頻譜對(duì)比來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

而由于齒輪運(yùn)行工況復(fù)雜，即便是在正常運(yùn)行過(guò)程中采集振動(dòng)噪聲信號(hào)也是很困難的，所以故障診斷要結(jié)合時(shí)域與頻域圖形同時(shí)分析。通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)：在故障運(yùn)行過(guò)程中齒輪的噪聲信號(hào)頻率主要包含兩部分，一部分是由低頻成分的幅值以及相位所構(gòu)成的調(diào)制信號(hào)；另一部分由嚙合頻率以及其產(chǎn)生的高頻諧波成分構(gòu)成的載波信號(hào)。這兩部分信號(hào)從齒輪故障類型上又可以說(shuō)是分別由齒輪的大周期故障和小周期故障產(chǎn)生的，根據(jù)聲波理論可知當(dāng)齒輪發(fā)生小周期故障時(shí)，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)形成振動(dòng)噪聲信號(hào)的嚙合頻率以及其產(chǎn)生的高次諧波成分。

（2）轉(zhuǎn)子不平衡故障。轉(zhuǎn)子不平衡有多種情況，有力不平衡、偶不平衡和動(dòng)不平衡等。接下來(lái)以聯(lián)合機(jī)組排煙風(fēng)機(jī)葉輪不平衡為例來(lái)詳細(xì)分析轉(zhuǎn)子不平衡故障的振動(dòng)噪聲特點(diǎn)。作為冷軋車間聯(lián)合機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，排煙風(fēng)機(jī)的作用主要是在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將軋機(jī)架之間的油汽不斷排出，而在生產(chǎn)過(guò)程中一旦該風(fēng)機(jī)葉輪發(fā)生故障將會(huì)造成風(fēng)機(jī)停機(jī)，鋼板沾染油污，嚴(yán)重影響鋼板的品質(zhì)。因此，為避免風(fēng)機(jī)的突然停機(jī)造成的損失，需要對(duì)排煙風(fēng)機(jī)的葉輪進(jìn)行定期的振動(dòng)噪聲測(cè)量及診斷，掌握葉輪的磨損情況從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，避免停機(jī)事故。例如在廠區(qū)3#車間的日常檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)某風(fēng)機(jī)的振動(dòng)變化值達(dá)到16mm/s，次日進(jìn)行了二次測(cè)量，振動(dòng)變化值升到了17.98mm/s，說(shuō)明設(shè)備損壞程度進(jìn)一步嚴(yán)重，而且葉輪的振動(dòng)變化值已接近材料的振動(dòng)危險(xiǎn)標(biāo)基準(zhǔn)值，因此判定該風(fēng)機(jī)葉輪存在較大安全隱患，需要立即檢修。結(jié)合測(cè)量到的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)噪聲頻譜圖，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻在12.5Hz附件幅值較大，為明顯的葉輪不平衡特征。

發(fā)現(xiàn)故障隱患后，對(duì)各種可能造成葉輪不平衡的原因進(jìn)行排查，通過(guò)拆除發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)的葉輪是由整塊鋼板鑄造成葉片形狀后，用輪轂在兩側(cè)將若干葉片焊接并封裝在一起的，而由于葉輪長(zhǎng)期工作高強(qiáng)度是旋轉(zhuǎn)振動(dòng)工況下造成了風(fēng)機(jī)的葉片與輪轂之間的焊接部位產(chǎn)生了微小的裂縫，使排煙風(fēng)機(jī)中的水霧以及油蒸汽滲進(jìn)到葉片縫隙中逐漸形成了大量的冷凝水，導(dǎo)致在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的葉輪不平衡故障。

（3）軸承故障。如圖2所示是軸承系統(tǒng)示意圖，它由葉輪、軸承座和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三部分構(gòu)成。因?yàn)檩S承通常封閉在密閉的箱體內(nèi)，無(wú)法直接對(duì)其進(jìn)行觀察，所以需要通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其內(nèi)部運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)量，該方法可以保證在不解體前提下，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部隱患。下面對(duì)1#、2#兩軸承進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析。

圖2 軸承系統(tǒng)圖

設(shè)備主要參數(shù)：

電機(jī)功率：P=55kW；

電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速：n=1480r/min；

風(fēng)機(jī)葉片：m=12片；

軸承型號(hào)：22316；

幾何尺寸：Φ80×Φ170×80；

滾動(dòng)體數(shù)量：N=14（雙列）；

滾動(dòng)體直徑：24mm。

振動(dòng)分析主要參數(shù)：

測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速為：1480r/min；

基頻：fr=n/60=24.67Hz；

外圈通過(guò)頻率：fo=N×fc=127.6-138.152Hz；

內(nèi)圈通過(guò)頻率：fi=N×(fr-fo)=(207.228-213.78)Hz；

保持架通過(guò)頻率：fc=(0.37-0.4)fr=（9.13-9.87)Hz；

滾動(dòng)體通過(guò)頻率：fb=0.18×N×fi=62.17Hz。

檢測(cè)結(jié)果分析：對(duì)主電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)軸承1#的振動(dòng)變化值較大，測(cè)量其加速度發(fā)現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到10.81m/s2（正常情況下振動(dòng)加速度基本為5m/s2左右），并且噪聲頻譜圖有明顯的調(diào)制頻率。結(jié)合時(shí)域運(yùn)動(dòng)曲線，發(fā)現(xiàn)在時(shí)域圖形中波形峭度值為3.08大于值（2.5）。因此推斷1#軸承已經(jīng)開(kāi)始有了劣化跡象。再對(duì)時(shí)域圖波形進(jìn)行局部放大后發(fā)現(xiàn)有明顯的能量沖擊現(xiàn)象。為進(jìn)一步診斷故障結(jié)果，對(duì)軸承1#的垂直方向頻域曲線進(jìn)行分析：①在低頻段，轉(zhuǎn)頻的同步頻率出現(xiàn)大量的3～10倍頻分量；②在中頻段，頻譜圖有400到1200Hz間的峰群出現(xiàn)；③在高頻段出現(xiàn)尖峰，固有頻段出現(xiàn)諧波峰群，頻率約為25Hz；④對(duì)頻譜圖進(jìn)行局部放大，發(fā)現(xiàn)還存在有較大的138.25Hz和145.625Hz的非同步頻率，說(shuō)明軸承有松動(dòng)趨勢(shì)。

結(jié)合前面的振動(dòng)參數(shù)的計(jì)算，軸承外圈的工作頻率應(yīng)在127.6～138.152Hz，而測(cè)量的138.25Hz和145.62Hz顯然在故障頻率段，軸承外圈存在故障。這一現(xiàn)象說(shuō)明風(fēng)機(jī)軸承測(cè)量點(diǎn)的外圈存在一定缺陷，結(jié)合時(shí)域曲線被轉(zhuǎn)頻調(diào)制的結(jié)論，說(shuō)明是由于轉(zhuǎn)軸外圈的一個(gè)滾動(dòng)體的缺陷，造成了軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中外圈與轉(zhuǎn)軸發(fā)生輕微碰撞產(chǎn)生的非同步頻率。但由于考慮到軸承的總體振動(dòng)值不大，軸承尚處于故障的初級(jí)階段，短期內(nèi)還可以繼續(xù)使用，無(wú)需更換，但是在后期的使用過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤檢測(cè)。

為了進(jìn)一步研究故障原因，在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的工作后再次對(duì)該軸承進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)幅值有很大上升，峰值達(dá)到了13.55m/s2，而且波形的峭度值也已經(jīng)達(dá)到了3.95。由此分析，軸承劣化趨勢(shì)明顯，為避免設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械事故，檢修部門決定解體1#軸承座，更換內(nèi)部軸承零件。觀察解體后的軸承，發(fā)現(xiàn)軸承外圈和轉(zhuǎn)軸滾動(dòng)體之間磨損跡象明顯，軸承外圈損壞嚴(yán)重，這與當(dāng)初采用故障診斷分析系統(tǒng)的測(cè)量分析結(jié)果高度吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文在介紹冷軋?jiān)O(shè)備基本理論和冷軋?jiān)O(shè)備機(jī)械故障振動(dòng)噪聲診斷系統(tǒng)之后，對(duì)不同的設(shè)備建立不同的振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中遇到的典型機(jī)械故障進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析，及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)了設(shè)備故障點(diǎn)。