陶然 史艷國(guó)
（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）
摘 要：針對(duì)高線精軋機(jī)設(shè)備故障的特點(diǎn)，建立了精軋機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采集精軋機(jī)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)采用時(shí)域、頻域多角度分析，時(shí)域趨勢(shì)圖可以判斷軸承的突發(fā)性故障，頻域分析可以判斷故障的性質(zhì)及故障部位。有效地提高了滾動(dòng)軸承故障診斷的準(zhǔn)確率。
關(guān)鍵詞：高線軋機(jī)；軸承；時(shí)頻分析；故障診斷
0 前言
高線軋機(jī)是高線生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，軋機(jī)發(fā)生事故將導(dǎo)致全線停產(chǎn)。對(duì)此類關(guān)鍵設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷研究已成為共識(shí)。滾動(dòng)軸承是棒線材軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中使用Z多的部件，同時(shí)也是軋機(jī)中精密的部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)軸承故障約占軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)全部故障的 50%~60%。并且只有 10%以下的軸承能夠達(dá)到設(shè)計(jì)壽命年限，多數(shù)軸承由于潤(rùn)滑不良、不中、裝差、制造缺陷等原因而失效。本文對(duì)高速線材生產(chǎn)中精軋機(jī)動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻多角度分析，判斷軸承的故障性質(zhì)及故障源的部位。精軋機(jī)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
1 滾動(dòng)軸承故障診斷原理
滾動(dòng)軸承的故障可以分為2類：損傷類故障和磨損類故障。損傷類故障是指軸承元件出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落、擦傷等，磨損類故障是指異物落入造成的磨料磨損以及潤(rùn)滑不良引起的表面磨損。機(jī)器運(yùn)行時(shí)，當(dāng)軸承出現(xiàn)缺陷后，滾體滾過(guò)缺陷就會(huì)出現(xiàn)近周期性沖擊脈沖。脈沖相應(yīng)的頻率稱為“特征頻率”，特征頻率計(jì)算公式
內(nèi)圈特征頻率
由于實(shí)際工作條件的影響（如相對(duì)滑動(dòng)、磨損、軸承直徑誤差等），計(jì)算的頻率值可能會(huì)與真實(shí)值有小的差異。
2 精軋機(jī)軸承故障信號(hào)的時(shí)域和頻域分析
2.1常用時(shí)域診斷方法
（1）振動(dòng)幅值的監(jiān)測(cè)
在振動(dòng)幅值的監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，常用軸承座上振動(dòng)的均方根值作為判斷依據(jù)。它可以初步判斷軸承的工作狀態(tài)，但不能識(shí)別出軸承的具體失效模式；
（2）振幅統(tǒng)計(jì)分析法
正常軸承的幅值概率密度函數(shù)接近正態(tài)分布，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障后，概率密度函數(shù)的幅度變寬�？梢杂们投纫蜃覭反映這一變化，K反映信號(hào)中大幅值成分的影響，對(duì)軸承故障較為敏感。正常軸承的峭度因子約3，當(dāng)出現(xiàn)疲勞剝落等故障時(shí)K值增大。
2.2常用頻域分析法
從頻譜圖的頻率分布及其結(jié)構(gòu)可以 判斷軸承故障類型，并結(jié)合設(shè)備總體狀態(tài)判斷故障的嚴(yán)重程度。
（1）幅值譜分析。反映振動(dòng)信號(hào)中各簡(jiǎn)諧成分的幅值與其頻率的關(guān)系；
（2）功率譜分析。反映振動(dòng)信號(hào)中各諧波分量的頻率和能量的關(guān)系；
（3）倒譜分析。也稱為二次頻譜分析，是檢測(cè)復(fù)雜譜圖中周期分量的有力工具。能識(shí)別復(fù)雜頻譜圖結(jié)構(gòu)中的各組成分量；
（4）瀑布圖。以時(shí)間為序列連續(xù)地反映不同條件下或不同的時(shí)間周期內(nèi)，其頻譜變化的規(guī)律。
2.3 精軋機(jī)軸承的故障診斷
綜合運(yùn)用上述時(shí)頻分析方法，對(duì)軋機(jī)軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域波形分析、頻譜分析，提取信號(hào)中的有用成分，以此信息確定設(shè)備運(yùn)行的情況。
（1）振動(dòng)量指標(biāo)及趨勢(shì)分析
根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)量指標(biāo)顯示，在2008年1月份精軋機(jī)23#a8號(hào)測(cè)點(diǎn)在1月 21日峰值達(dá)到 685.707 m/s2，出現(xiàn)紅色警報(bào)，如圖2所示。
由圖3所示的有效值趨勢(shì)圖可以看出，精軋機(jī)23#a8號(hào)測(cè)點(diǎn)有效值在1月21日有明顯上升， Z高值達(dá)到了70m/s2 以上。同時(shí)，峭度指標(biāo)K的趨勢(shì)明顯上升，Z高達(dá)到66，而正常K值為3左右，說(shuō)明軸承有故障隱患。
從振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域圖4可以?出，精軋機(jī)23#a8號(hào)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形存在較大幅值的振動(dòng)，波形有明顯的下延結(jié)構(gòu)，表明有明顯的沖擊成分。
（2）頻域分析
根據(jù)軸承的特征頻率計(jì)算公式，計(jì)算出高線精軋機(jī) 23#I 軸的滾動(dòng)軸承特征頻率值，見(jiàn)表1。
對(duì)軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行幅值譜分析，如圖5所示。在低頻段有明顯的大幅值出現(xiàn)。對(duì) 0~1500Hz頻率范圍進(jìn)行頻譜細(xì)化分析，如圖6所示。
由圖6頻域波形細(xì)化圖和特征頻率表1可以看出，精軋機(jī)23#a8號(hào)測(cè)點(diǎn)的故障特征頻率為63.477Hz，同時(shí)伴有倍頻 出現(xiàn)，此值與 I 軸轉(zhuǎn)動(dòng)特征頻率對(duì)應(yīng)，說(shuō)明I軸軸承內(nèi)圈有故障。
（3）檢修結(jié)果驗(yàn)證
精軋機(jī)23#I軸軸承進(jìn)行檢修時(shí)，內(nèi)圈有明顯的大塊點(diǎn)蝕。圖7為故障軸承的照片。
3 結(jié)語(yǔ)
（1）建立在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)已成為提高高線設(shè)備預(yù)知維修能力的有效手段，并且通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了其有效性；
（2）對(duì)軸承的振動(dòng)信號(hào)采用時(shí)域、頻域多角度分析手段，可以有效地提高故障診斷的準(zhǔn)確率。信號(hào)的時(shí)域趨勢(shì)圖出現(xiàn)突變，反應(yīng)出軸承具有突發(fā)性故障；通過(guò)軸承的特征頻率計(jì)算值和頻域的分析比較Z后判斷故障的性質(zhì)及故障部位。
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（來(lái)源：煤礦機(jī)械）
