振動信號在檢測冷軋設(shè)備故障中的應(yīng)用

任戰(zhàn)鋒，柴自豪，王衛(wèi)超

(洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471000)

1 冷軋設(shè)備振動理論基礎(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兩個旋轉(zhuǎn)軋輥之間的縫隙中，使之受到軋輥間的壓縮力而產(chǎn)生壓縮形變的過程。真實軋制設(shè)備的主傳動系統(tǒng)是極其復(fù)雜的，但是為了理論分析方便，通常對實際的機械結(jié)構(gòu)進行簡化，將各個質(zhì)量部分按照重心恒定的原則集中在幾個等效的轉(zhuǎn)動慣量圓盤上，各個圓盤之間再用具有等效扭矩的彈性軸相互關(guān)聯(lián)，這就形成了一個多自由度簡化冷軋主傳動系統(tǒng)模型。下面對簡化系統(tǒng)的基本參數(shù)進行介紹。

（1）軋制變形區(qū)。軋制變形區(qū)表示鋼材在軋制過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)表示在軋制過程中軋件壓縮形變，使得軋件在三個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。

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

因為軋件的體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。

冷軋鋼帶又可寫為：ηζ=1。

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

絕對壓下量與軋件原始高度的比值就稱為相對壓下量，用符號ε表示。

當(dāng)無寬展時，則：

（4）冷軋軋制公式。冷軋軋制壓力公式一般采取下列形式：

各個系數(shù)如表2所示。

表2 冷軋軋制系數(shù)

2 冷軋設(shè)備機械故障診斷分析系統(tǒng)

本文采用的冷軋設(shè)備機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)就是冷軋設(shè)備，振動信號采集模塊采用的是德國普魯夫VIBXPERT?Ⅱ型振動測量分析儀，它包含兩個模擬輸出信道，可同時測量兩路振動信號，頻率范圍從0.5Hz到40kHz，加速度和振動位移誤差精度都在±1%，測量精度很高。測量得到的振動加速度和振動位移信號經(jīng)過故障信號處理變換為頻域信號，通過分析振動特征的頻譜信號來獲取軋機的工作狀況，再根據(jù)故障特征設(shè)置頻譜判據(jù)，以此得出軋機的故障類型和故障部位，并進一步給出診斷決策。本文采用的機械故障診斷分析方法為聲音頻譜分析法，頻譜分析法是機械設(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域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l譜信號，其中最通用的變換方法是傅里葉變換（FFT），它可以把復(fù)雜的噪聲信號進行頻域分解得到有限或者無限個頻率的動態(tài)信號分量。而這些動態(tài)信號的幅值、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信號頻譜圖進入故障判據(jù)系統(tǒng)，而故障判據(jù)的主要功能就是根據(jù)一些振動噪聲的頻譜特征來判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，為設(shè)備的正常運行以及適時維修提供實驗依據(jù)。由于設(shè)備各個零部件的運行特性之間存在較大差異，不同的零部件在類似的運行工況下的機器的振動噪聲頻譜也會出現(xiàn)很大的差異。同一頻譜的振動噪聲水平在一個零部件上可能反映的是良好的工況，而在另一個量部件上就可能反映的是嚴重的機械故障，因此需要對不同的部件設(shè)立不同的振動噪聲判據(jù)標準。在實際的機械故障檢測中建立機械振動噪聲狀態(tài)標準的方法有許多，常見的有類比判斷法、頻譜圖報警判據(jù)法以及振動標準法等等?；诒疚恼駝有盘柕奶幚矸绞綖轭l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警判據(jù)法。根據(jù)判據(jù)的不同，又將頻譜圖報警法細分為寬頻帶報警和窄頻帶報警這兩種工作模式。其中寬頻帶報警模式選擇的判據(jù)是機械設(shè)備正常狀態(tài)的振動噪聲頻譜圖，在預(yù)設(shè)的頻段內(nèi)設(shè)定若干個報警頻率，一旦某些頻段的頻率值超過報警頻率設(shè)備就會處于報警狀態(tài)。而窄頻段報警與寬頻段報警的不同之處是：窄頻段報警的報警線針對某些頻譜，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報警線即處于報警狀態(tài)。針對設(shè)備特點和實驗條件，本文具體采用的是窄頻段報警方式。

在使用設(shè)備機械故障診斷分析系統(tǒng)對機械故障進行分析時，必須盡可能詳細的收集到可能得到的所有信息（主要包括：機械設(shè)備的基本參數(shù)；振動檢測分析趨勢記錄；設(shè)備損壞維修紀錄以及各種振動噪聲頻譜信號等）才能實現(xiàn)故障類型的有效診斷。

3 冷軋設(shè)備常見的機械故障種類與典型案例分析

加工車間現(xiàn)場的冷軋設(shè)備的正常工作對于保障企業(yè)產(chǎn)能至關(guān)重要，而一旦出現(xiàn)設(shè)備機械故障造成生產(chǎn)線停運，將會嚴重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率。經(jīng)過總結(jié)發(fā)現(xiàn)在實際加工生產(chǎn)當(dāng)中，設(shè)備常見的機械故障零件主要在齒輪、轉(zhuǎn)子以及滾動軸承上，比較集中的故障類型有轉(zhuǎn)子不對中、軸承不平衡等。下面針對冷軋設(shè)備幾種比較常見的機械零件故障進行噪聲信號的頻譜分析，研究故障產(chǎn)生的原因，同時給出相對應(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)致其在運轉(zhuǎn)過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)、潤滑不足、過量磨損導(dǎo)致金屬疲勞以及超負荷運轉(zhuǎn)和出廠制造缺陷等造成。以上故障雖然可以在振動噪聲的頻譜圖上反映出來，但由于齒輪箱振動頻譜圖噪聲分布密集，很難辨識出每種故障。所以我們提出了一個改進方法：針對不同的齒輪箱，先在其工作狀態(tài)良好的情況下采集其噪聲基準頻譜圖，然后通過在狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷過程中與基準頻譜對比來發(fā)現(xiàn)問題。

而由于齒輪運行工況復(fù)雜，即便是在正常運行過程中采集振動噪聲信號也是很困難的，所以故障診斷要結(jié)合時域與頻域圖形同時分析。通過理論分析發(fā)現(xiàn)：在故障運行過程中齒輪的噪聲信號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；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。這兩部分信號從齒輪故障類型上又可以說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，齒輪運轉(zhuǎn)就會形成振動噪聲信號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、偶不平衡和動不平衡等。接下來以聯(lián)合機組排煙風(fēng)機葉輪不平衡為例來詳細分析轉(zhuǎn)子不平衡故障的振動噪聲特點。作為冷軋車間聯(lián)合機組的關(guān)鍵設(shè)備，排煙風(fēng)機的作用主要是在運轉(zhuǎn)過程中將軋機架之間的油汽不斷排出，而在生產(chǎn)過程中一旦該風(fēng)機葉輪發(fā)生故障將會造成風(fēng)機停機，鋼板沾染油污，嚴重影響鋼板的品質(zhì)。因此，為避免風(fēng)機的突然停機造成的損失，需要對排煙風(fēng)機的葉輪進行定期的振動噪聲測量及診斷，掌握葉輪的磨損情況從而及時發(fā)現(xiàn)故障，避免停機事故。例如在廠區(qū)3#車間的日常檢測中發(fā)現(xiàn)某風(fēng)機的振動變化值達到16mm/s，次日進行了二次測量，振動變化值升到了17.98mm/s，說明設(shè)備損壞程度進一步嚴重，而且葉輪的振動變化值已接近材料的振動危險標基準值，因此判定該風(fēng)機葉輪存在較大安全隱患，需要立即檢修。結(jié)合測量到的風(fēng)機轉(zhuǎn)子振動噪聲頻譜圖，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機轉(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，對各種可能造成葉輪不平衡的原因進行排查，通過拆除發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機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，而由于葉輪長期工作高強度是旋轉(zhuǎn)振動工況下造成了風(fēng)機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)機中的水霧以及油蒸汽滲進到葉片縫隙中逐漸形成了大量的冷凝水，導(dǎo)致在風(fēng)機轉(zhuǎn)動過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)動電機三部分構(gòu)成。因為軸承通常封閉在密閉的箱體內(nèi)，無法直接對其進行觀察，所以需要通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)對其內(nèi)部運行情況進行測量，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1#、2#兩軸承進行測量，對測量數(shù)據(jù)進行記錄分析。

圖2 軸承系統(tǒng)圖

設(shè)備主要參數(shù)：

電機功率：P=55kW；

電機實際轉(zhuǎn)速：n=1480r/min；

風(fēng)機葉片：m=12片；

軸承型號：22316；

幾何尺寸：Φ80×Φ170×80；

滾動體數(shù)量：N=14（雙列）；

滾動體直徑：24mm。

振動分析主要參數(shù)：

測得電機轉(zhuǎn)速為：1480r/min；

基頻：fr=n/60=24.67Hz；

外圈通過頻率：fo=N×fc=127.6-138.152Hz；

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

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

滾動體通過頻率：fb=0.18×N×fi=62.17Hz。

檢測結(jié)果分析：對主電機傳動系統(tǒng)進行測量，發(fā)現(xiàn)軸承1#的振動變化值較大，測量其加速度發(fā)現(xiàn)已經(jīng)達到10.81m/s2（正常情況下振動加速度基本為5m/s2左右），并且噪聲頻譜圖有明顯的調(diào)制頻率。結(jié)合時域運動曲線，發(fā)現(xiàn)在時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)開始有了劣化跡象。再對時域圖波形進行局部放大后發(fā)現(xiàn)有明顯的能量沖擊現(xiàn)象。為進一步診斷故障結(jié)果，對軸承1#的垂直方向頻域曲線進行分析：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對頻譜圖進行局部放大，發(fā)現(xiàn)還存在有較大的138.25Hz和145.625Hz的非同步頻率，說明軸承有松動趨勢。

結(jié)合前面的振動參數(shù)的計算，軸承外圈的工作頻率應(yīng)在127.6～138.152Hz，而測量的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)象說明風(fēng)機軸承測量點的外圈存在一定缺陷，結(jié)合時域曲線被轉(zhuǎn)頻調(diào)制的結(jié)論，說明是由于轉(zhuǎn)軸外圈的一個滾動體的缺陷，造成了軸承轉(zhuǎn)動過程中外圈與轉(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值不大，軸承尚處于故障的初級階段，短期內(nèi)還可以繼續(xù)使用，無需更換，但是在后期的使用過程中需要對其進行實時的跟蹤檢測。

為了進一步研究故障原因，在經(jīng)過一定時間的工作后再次對該軸承進行測量，發(fā)現(xiàn)振動幅值有很大上升，峰值達到了13.55m/s2，而且波形的峭度值也已經(jīng)達到了3.95。由此分析，軸承劣化趨勢明顯，為避免設(shè)備發(fā)生嚴重的機械事故，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)軸滾動體之間磨損跡象明顯，軸承外圈損壞嚴重，這與當(dāng)初采用故障診斷分析系統(tǒng)的測量分析結(jié)果高度吻合。

4 結(jié)語

本論文在介紹冷軋設(shè)備基本理論和冷軋設(shè)備機械故障振動噪聲診斷系統(tǒng)之后，對不同的設(shè)備建立不同的振動診斷標準，結(jié)合實際生產(chǎn)中遇到的典型機械故障進行了理論和實驗分析，及時有效的發(fā)現(xiàn)了設(shè)備故障點。