張敬東
（山西省國際招標(biāo)有限公司，山西 太原 030012）
摘 要：熱連軋機(jī)的主要作用是通過各種減速機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，完成將厚鋼板軋制成薄鋼板的任務(wù)。振動(dòng)信號(hào)包含著各種豐富的信息，利用振動(dòng)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是最有效的手段。文章介紹了熱連軋機(jī)振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：鋼鐵；熱連軋機(jī)；滾動(dòng)軸承；振動(dòng)監(jiān)測；能量轉(zhuǎn)化；故障診斷
熱連軋機(jī)的主要作用是通過各種減速機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，完成將厚鋼板軋制成薄鋼板的任務(wù)，運(yùn)動(dòng)部件主要是傳動(dòng)軸、齒輪和滾動(dòng)軸承。目前對(duì)于熱連軋機(jī)振動(dòng)而言，主要監(jiān)測對(duì)象集中于各種減速機(jī)的齒輪箱和滾動(dòng)軸承。齒輪發(fā)生故障的機(jī)理主要有齒面磨損、齒面膠合和劃痕、齒面接觸疲勞和斷齒、彎曲疲勞和斷齒等，滾動(dòng)軸承發(fā)生故障的機(jī)理主要有磨損、疲勞、膠合和斷裂等。
1 齒輪及滾動(dòng)軸承故障機(jī)理和故障的診斷
1）齒輪的故障機(jī)理及故障診斷
齒輪故障機(jī)理主要有：
1．齒面磨損的機(jī)理通常是所謂的磨料磨損。當(dāng)潤滑油不足或油質(zhì)不清潔，在齒輪的工作面之間夾入金屬微粒、金屬氧化物或其它磨料時(shí)，將引起齒面發(fā)生磨料磨損，使齒廓顯著改變，側(cè)隙加大，以至由于齒厚過度減薄導(dǎo)致斷齒。
2．齒面膠合和劃痕。對(duì)于重載和高速的齒輪傳動(dòng)，齒面工作區(qū)溫度很高，如潤滑條件不好，齒面間油膜破裂，一個(gè)齒面的金屬會(huì)熔焊在與之嚙合的另一個(gè)齒面上，形成垂直于節(jié)線的劃痕和膠合。一般來說，新齒輪未經(jīng)跑合時(shí)常在局部產(chǎn)生這種現(xiàn)象，使齒面擦傷。另一方面，潤滑油粘度過低，運(yùn)行溫度過高，齒面上單位面積載荷過大，相對(duì)滑動(dòng)速度過高，以及接觸面積過小等，也會(huì)使油膜易于破裂而造成齒面劃痕。
3．齒面接觸疲勞和斷齒。齒輪在嚙合過程中，既有相對(duì)滾動(dòng)，又有相對(duì)滑動(dòng)，而且相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的方向相反，從而產(chǎn)生脈動(dòng)載荷。這兩種力的作用結(jié)果使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)變化的剪應(yīng)力。當(dāng)這種剪應(yīng)力超過齒輪材料的剪切疲勞極限時(shí)表面將產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋擴(kuò)展，最終會(huì)使齒面金屬小塊剝落，在齒面上形成小坑，稱為點(diǎn)蝕。當(dāng)點(diǎn)蝕擴(kuò)大，連成一片時(shí)，形成齒面上金屬塊剝落。它一般發(fā)生在輪齒根部靠近節(jié)圓處。此外，材質(zhì)不均或局部擦傷，也易在某一齒面上首先出現(xiàn)接觸疲勞，產(chǎn)生剝落。
4．彎曲疲勞和斷齒。輪齒承受載荷，如同懸臂梁，其根部受到脈沖循環(huán)的彎曲應(yīng)力作用。當(dāng)這種周期性應(yīng)力超過齒輪材料的彎曲疲勞極限時(shí)，會(huì)在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展。當(dāng)剩余部分無法承受外載荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷齒。齒輪由于工作中嚴(yán)重的沖擊、偏載以及材質(zhì)不均也可引起斷齒。齒輪異常還可分為局部故障和分布故障，前者集中表現(xiàn)于某個(gè)或幾個(gè)齒上，如剝落和斷齒等，后者分布在齒輪的各個(gè)齒上，如磨損和點(diǎn)蝕等。
一對(duì)嚙合中心齒輪，可以看作是一個(gè)具有質(zhì)量、彈簧和阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)其力學(xué)模型可寫出其振動(dòng)方程。齒輪的振動(dòng)屬于自激振動(dòng)，即使在“理想”情況下齒輪也存在振動(dòng)；齒輪振動(dòng)主要來源于兩個(gè)部分，第一部分與齒輪的誤差和故障無關(guān)，稱為常規(guī)嚙合振動(dòng)。第二部分取決于齒輪的綜合剛度和故障函數(shù)，由這一部分可以比較好地解釋齒輪信號(hào)中邊頻的存在以及他們和故障的關(guān)系。在齒輪的振動(dòng)中，周向振動(dòng)（即扭轉(zhuǎn)振動(dòng)）是主要的。齒輪噪聲來源于齒輪的振動(dòng)，薄齒輪的噪聲主要受齒輪本體振動(dòng)的影響，而厚齒輪的噪聲則主要受齒輪嚙合頻率成分的影響。齒輪的振動(dòng)屬于自激振動(dòng)。
齒輪嚙合剛度的周期性變化是由以下兩個(gè)原因：一是隨著嚙合點(diǎn)位置的變化，參加嚙合的單一輪齒的剛度發(fā)生了變化；二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。無論齒輪處于正常還是故障狀態(tài)，齒輪的嚙合頻率成分是始終存在的，但在不同的狀態(tài)下振動(dòng)的量級(jí)大小是有差異的，因此，根據(jù)嚙合頻率分量進(jìn)行故障診斷是可行的。但是，另一方面齒輪的振動(dòng)信號(hào)又是十分復(fù)雜的，故障對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響也是多方面的，其中包括傳動(dòng)誤差的影響，調(diào)制現(xiàn)象的存在等。
開展齒輪故障診斷的困難在于其振動(dòng)信號(hào)在傳遞中所經(jīng)歷的環(huán)節(jié)比較多，包括齒輪、軸、軸承、軸承座等，因而高頻信號(hào)成分（20kHz 以上）在傳遞過程中基本上都損失掉了。正是由于這一原因，齒輪故障診斷往往需要借助更精細(xì)的信號(hào)分析手段，以達(dá)到提高信噪比以便能有效提取故障特征的目的。
2）滾動(dòng)軸承故障機(jī)理及故障診斷
滾動(dòng)軸承的故障機(jī)理包括：（1）磨損。磨損是滾動(dòng)軸承最常見的一種失效形式，是軸承滾道、滾動(dòng)體、保持架、座孔或安裝軸承的軸頸，由于機(jī)械原因引起的表面磨損。（2）疲勞。表現(xiàn)為滾動(dòng)體或滾道表面剝落或脫皮。造成剝落的主要原因是疲勞應(yīng)力，有時(shí)是由于潤滑不良或強(qiáng)迫安裝。（3）腐蝕。第一種是潤滑劑水分或濕氣的化學(xué)腐蝕；第二種是軸承表面有較大的電流通過使表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕，或由于小電流和微振作用下形成的腐蝕，屬電腐蝕；第三種是微振腐蝕，由于軸承套圈在座孔中或軸頸上有微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使表面產(chǎn)生的紅色或黑色的銹斑。（4）壓痕和膠合。壓痕是由于裝配不當(dāng)，或者是由于過載和撞擊造成的表面局部凹陷。膠合發(fā)生在滑動(dòng)接觸的兩個(gè)表面，表現(xiàn)為一個(gè)表面的金屬粘附到另一個(gè)表面上的現(xiàn)象。在潤滑不良，高速重載的情況下，由于摩擦發(fā)熱，軸承零件可能在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，從而導(dǎo)致表面燒傷及損壞。
根據(jù)振動(dòng)的起因，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)可分為三種形式：軸承結(jié)構(gòu)因素引起的振動(dòng)，如滾動(dòng)體通過時(shí)的振動(dòng)，內(nèi)、外圈的固有振動(dòng)及軸承的彈性振動(dòng)等；軸承制造因素引起的振動(dòng)，如軸承零件的圓度、波紋度、傷痕、缺陷及保持架引起的振動(dòng)等；使用條件引起的振動(dòng)，如潤滑劑、載荷、轉(zhuǎn)速、安裝不當(dāng)及配合引起的振動(dòng)。
在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體通過徑向載荷方向的位置，使軸的中心上下移動(dòng)，即產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，這種振動(dòng)稱為滾動(dòng)體的通過振動(dòng)。根據(jù)徑向滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)關(guān)系模型建立方程，依據(jù)幾何學(xué)條件，求得幾個(gè)旋轉(zhuǎn)頻率和通過頻率，包括內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率fr、保持架旋轉(zhuǎn)頻率fc、滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率fb、保持架通過內(nèi)圈頻率fi 等參數(shù)，振動(dòng)的頻譜特征是診斷振動(dòng)故障的主要依據(jù)，當(dāng)軸承零件有故障時(shí)，幾種通過頻率便會(huì)在振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)。
2 齒輪及滾動(dòng)軸承故障的界定和診斷標(biāo)準(zhǔn)
1）齒輪和滾動(dòng)軸承故障的界定
齒輪和滾動(dòng)軸承的失效很難有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下取如下建議值。
齒輪失效的界定應(yīng)當(dāng)考慮到齒輪的強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)精度和維修經(jīng)濟(jì)性，具體標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）齒長磨損不應(yīng)超過原齒長的30%；（2）齒厚磨損，最大限度不應(yīng)超過0.4mm；（3）因剝落、點(diǎn)蝕等，齒輪嚙合面積應(yīng)不低于工作面積的2/3；（4）齒輪嚙合間隙：使用極限為0.60 ～ 0.90mm。
滾動(dòng)軸承失效的界定應(yīng)當(dāng)考慮到軸承的壽命、工作性能和維修經(jīng)濟(jì)性，具體標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）徑向間隙許用極限：0.3mm；（2）滾道內(nèi)不允許有明顯的凹坑、剝落、傷痕、卡滯現(xiàn)象。
2）齒輪和滾動(dòng)軸承故障的診斷標(biāo)準(zhǔn)
1．絕對(duì)判斷標(biāo)準(zhǔn)。（1）齒輪故障的判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于1kHz以下振動(dòng)，速度的峰值在0.45cm/s 以下為良好，對(duì)于1kHz 以上振動(dòng)，加速度的峰值在0.9g 以下為良好。速度的峰值在0.9cm/s 和加速度的峰值在1.8g 以上為危險(xiǎn)狀態(tài)。（2）滾動(dòng)軸承故障的判斷標(biāo)準(zhǔn)。由于滾動(dòng)軸承的振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，牽涉的因素很多，如傳感器安裝位置、軸承類型、軸徑大小、轉(zhuǎn)速高低、故障性質(zhì)和測量系統(tǒng)特性等，難以建立故障定量判斷標(biāo)準(zhǔn)，除了可以借鑒旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)外，主要依靠相對(duì)判斷標(biāo)準(zhǔn)。滾動(dòng)軸承常規(guī)振動(dòng)水平明顯低于齒輪振動(dòng)，并且一般要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，當(dāng)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)比較嚴(yán)重的故障時(shí)，有時(shí)表現(xiàn)為軸承特征頻率成分和齒輪振動(dòng)成分的相互交叉調(diào)制，出現(xiàn)和頻以及差頻成分。對(duì)于包含多個(gè)齒輪和軸承故障的振動(dòng)信號(hào)，需要通過頻率細(xì)化和小波變換等技術(shù)，將齒輪與滾動(dòng)軸承的故障頻率區(qū)分開，以免誤診斷。
2．相對(duì)判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)同一部位（ 同一測點(diǎn)、同一方向和同一工況）進(jìn)行定期測定，將正常情況的值定為初始值（或正常值），將實(shí)測值與正常值進(jìn)行比較，根據(jù)倍數(shù)來判斷故障。在齒輪和滾動(dòng)軸承的故障分析中，由于故障的離散性較大，較多使用以時(shí)間軸為基準(zhǔn)的對(duì)比分析。通?？紤]1000Hz 以內(nèi)的頻率分量增加2 倍，1000Hz 以上的頻率分量增加3 倍作為狀態(tài)惡化的警告值。1000Hz 以內(nèi)的頻率分量增加4 倍，1000Hz 以上的頻率分量增加6 倍作為狀態(tài)惡化的危險(xiǎn)值。
3．類比判斷標(biāo)準(zhǔn)。有數(shù)臺(tái)機(jī)型、規(guī)格相同的設(shè)備時(shí)，在相同條件下進(jìn)行測定，經(jīng)過相互比較作出判斷，稱為類比判斷。一般，當(dāng)?shù)皖l（ 1000Hz 以內(nèi)）振幅大于其它大多數(shù)正常設(shè)備的1 倍以上，高頻（ 1000Hz 以上）的振幅大于2 倍以上時(shí)，設(shè)備可能出現(xiàn)異常。當(dāng)?shù)皖l振幅大于2 倍以上，高頻振幅大于4 倍以上時(shí)，應(yīng)考慮立即停機(jī)。
眾所周知，振動(dòng)分析在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷領(lǐng)域取得了極大成功，因?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理研究比較清楚，故障特征比較典型，如不平衡表現(xiàn)為一倍頻較大，不對(duì)中表現(xiàn)為二倍頻較大，碰摩表現(xiàn)為低頻較大，松動(dòng)表現(xiàn)為高頻較大等，不同故障的特征差異較大，不容易混淆，易于區(qū)別。從振動(dòng)頻譜來看，故障的特征頻譜通常是轉(zhuǎn)速的整倍數(shù)或分倍數(shù)，因此需要進(jìn)行整周期采樣，一般通過FFT 即可得到比較準(zhǔn)確的故障特征頻率。此外，有大量的現(xiàn)場故障案例，故障的重復(fù)性較多，具有豐富的診斷經(jīng)驗(yàn)。
軋鋼機(jī)械主要由齒輪和滾動(dòng)軸承構(gòu)成，由于受到齒輪齒數(shù)和軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)的影響，故障的特征頻率通常不再是轉(zhuǎn)速的倍數(shù)關(guān)系，而且差別不明顯。同時(shí)，由于受到條件限制，測量振動(dòng)的傳感器一般安裝在與振動(dòng)源較遠(yuǎn)的殼體上，信號(hào)傳遞途徑復(fù)雜，影響因素多，受干擾大，故障特征不明顯，同時(shí)信號(hào)分析過程比較復(fù)雜，并且缺少典型案例和故障診斷經(jīng)驗(yàn)，給軋鋼機(jī)械的故障診斷帶來較大的困難。因此，對(duì)軋鋼機(jī)械進(jìn)行故障診斷，除了如一般機(jī)械常規(guī)的波形和頻譜分析外，還需要進(jìn)行某些特征數(shù)據(jù)的計(jì)算分析以及頻率細(xì)化技術(shù)、倒頻譜、包絡(luò)譜和小波變換等。
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