軋機(jī)減速機(jī)雙列軸承保持架故障診斷研究

邢增金

（青島特殊鋼鐵有限公司裝備部，山東青島 266400）

0 引言

某鋼廠軋線減速機(jī)曾發(fā)現(xiàn)多起軸承保持架故障造成的熱停事故，約占軸承故障的30%，累計(jì)造成經(jīng)濟(jì)損失幾百萬元，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承保持架故障，杜絕熱停事故發(fā)生，是當(dāng)前軋機(jī)設(shè)備故障診斷面臨的重要課題之一。利用振動(dòng)頻譜分析技術(shù)，結(jié)合保持架故障特點(diǎn)，制定可行的故障診斷策略，有效的診斷出軋機(jī)減速機(jī)軸承保持架故障，杜絕此類故障造成的熱停事故，保障公司生產(chǎn)正常運(yùn)行。

1 軋機(jī)減速機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

圖1 為某高線廠11#減速機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形圖，從圖中可知減速機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有兩個(gè)，分別為軋機(jī)不過鋼情況下空載狀態(tài)和過鋼情況下負(fù)載狀態(tài)，負(fù)載狀態(tài)下減速機(jī)轉(zhuǎn)矩保持在2000 N·m，而空載時(shí)轉(zhuǎn)矩不到180 N·m，兩者相差10 倍以上；而通常情況下軸承受力越大，軸承缺陷引起的振動(dòng)越明顯，監(jiān)測頻譜內(nèi)軸承故障頻率越突出，又因設(shè)備空載時(shí)間僅為2～3 s，振動(dòng)狀態(tài)不易監(jiān)測，所以一般僅監(jiān)測設(shè)備負(fù)載狀態(tài)下的振動(dòng)波形。

圖1 某高線11#減速機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形

2 振動(dòng)頻譜分析技術(shù)

振動(dòng)頻譜分析技術(shù)是診斷軸承故障最成熟、最準(zhǔn)確的方法之一[1]，旨將采集一段時(shí)間的設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，利用傅里葉正逆變換、相關(guān)分析、希爾伯特變換等工具對(duì)整段振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，得到幅值譜、功率譜、倒頻譜和包絡(luò)解調(diào)譜，通過分析譜圖中出現(xiàn)的軸承故障頻率及幅值，以確定軸承故障部位和程度。

3 保持架故障特點(diǎn)及診斷策略制定

經(jīng)過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸承發(fā)生保持架故障時(shí)，設(shè)備負(fù)載狀態(tài)下振動(dòng)變化不大，加速度無論低頻和高頻均很難發(fā)現(xiàn)保持架故障，雖然空載狀態(tài)下測得的速度波形同樣無明顯變化，但采集的高頻加速度振動(dòng)波形存在明顯沖擊，且沖擊能量峰值明顯高于負(fù)載。根據(jù)以上特點(diǎn)，更改原來僅監(jiān)測負(fù)載狀態(tài)下的設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)策略，延長采集時(shí)間，確保采集到每個(gè)軸承的空載下高頻加速度振動(dòng)數(shù)據(jù)，再利用數(shù)據(jù)截取方法，結(jié)合采樣定理，將空載下的振動(dòng)數(shù)據(jù)截取下來并進(jìn)行頻譜分析。

4 故障診斷案例

2019 年9 月22 日現(xiàn)場監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)某高線11#軋機(jī)減速機(jī)設(shè)備有異音，通過采集空載數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)加速度波形存在明顯沖擊，且沖擊峰值能量明顯比負(fù)載時(shí)大，采集和分析過程如下。

診斷發(fā)現(xiàn)，無論空載還是負(fù)載下，速度波形和頻譜均無明顯異常。圖2 為檢修前空載和負(fù)載加速度波形，圖3 為檢修后空載和負(fù)載加速度波形，由圖2 可知，空載波形存在明顯沖擊，且沖擊峰值能量明顯比負(fù)載時(shí)大。對(duì)比圖4a）檢修前負(fù)載下加速度幅值譜和圖4b）檢修前空載下加速度幅值譜可知，檢修前空載下加速度幅值譜整個(gè)頻段存在明顯底噪能量，且存在大量的譜峰群，而負(fù)載時(shí)頻譜無異常，底噪能量占比很低。對(duì)比圖4c）檢修前負(fù)載下加速度包絡(luò)譜和圖4d）檢修前空載下加速度包絡(luò)譜可知，負(fù)載狀態(tài)下測得的波形高頻（大于10 000 Hz）包絡(luò)解調(diào)譜存在幅值很低的7.471 Hz 保持架頻率及諧波，但空載時(shí)加速度包絡(luò)譜存在明顯的4.248 Hz 頻率及諧波，與保持架故障頻率7.471 Hz 小，綜合分析確定高速軸驅(qū)動(dòng)端軸承存在保持架故障，且斷裂的可能性大，應(yīng)及時(shí)更換該軸承。

圖2 檢修前空載和負(fù)載加速度波形

圖3 檢修后空載和負(fù)載加速度波形

圖5 為檢修后拆下的高速軸驅(qū)動(dòng)端軸承保持架圖片，圖5 中圈出部分可看出該處保持架已斷裂。對(duì)比檢修前后振動(dòng)速度和加速度幅值變化情況，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)速度幅值無論負(fù)載和空載均變化不大（負(fù)載保持在2 mm/s 左右，空載保持架0.3 mm/s 左右），振動(dòng)加速度幅值負(fù)載下也同樣如此（檢修前后均為5 m/s2左右），但其空載下幅值下降明顯（檢修前6.93 m/s2，檢修后0.44 m/s2）。圖3 為檢修后空載和負(fù)載加速度波形圖，與圖2 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，檢修后空載下振動(dòng)加速度波峰明顯小于負(fù)載，且無論空載和負(fù)載均無明顯的沖擊間隔，波形恢復(fù)正常。

圖5 高速軸驅(qū)動(dòng)端軸承保持架

5 原因分析

某高線11#減速機(jī)如圖6 所示。通過案例發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軋機(jī)軸承保持架發(fā)生故障時(shí)，空載和負(fù)載時(shí)的振動(dòng)波形和頻譜差別很大，原因是當(dāng)圖6 中框出的保持架發(fā)生局部斷裂后，軸承滾動(dòng)體依然在滾道內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又因故障軸承右端軸承完好，對(duì)軸依然起到支撐作用，所以設(shè)備內(nèi)各零部件工作游隙變化不大，因此設(shè)備振動(dòng)無明顯變化；負(fù)載狀態(tài)下，故障軸承受到向右很大的軸向力，使該軸承各零部件貼合緊密，此時(shí)保持架斷裂、變形等缺陷與內(nèi)圈或外圈一處碰撞后，經(jīng)過一個(gè)公轉(zhuǎn)周期還會(huì)和原來的位置發(fā)生碰撞，但因保持架碰撞的力度相對(duì)其他零件的碰撞非常微弱，造成負(fù)載下保持架故障頻率幅值很低，很難發(fā)現(xiàn)；但空載時(shí)，圖6 中各軸均處于“卸力”狀態(tài)，框出的軸承受向右的軸向力相對(duì)負(fù)載小很多，工作游隙變大，軸承各零件處于“寬松”的工作空間，造成保持架與其他軸承零件碰撞概率大大降低，因此測得頻率低于保持架故障頻率，而軸的軸向竄動(dòng)量增大，使保持架與其他零件碰撞力度變大，因此造成空載加速度沖擊波峰大于負(fù)載。

圖6 某高線11#減速機(jī)剖面圖局部

6 結(jié)語

2020 年公司診斷人員利用該診斷策略共提前發(fā)現(xiàn)軋機(jī)減速機(jī)軸承保持架故障3 起，故障準(zhǔn)確率達(dá)100%，有效避免了該類故障造成熱停事故，節(jié)約了公司生產(chǎn)和維修成本，提高了設(shè)備使用壽命。