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2021年1月28日发(作者：spud)

设备状态监测与故障诊断技术的应用

摘要：高 速线材厂轧机具有运转速度高、载荷变化频繁、所轧制轧件温度低的特点，设备的主要故障是主传动设备的轴

承、

齿轮失效故障，

占了总设备故障时间的

50%

以上。传动设备的故障诊断，

要 通过在线监测，

在获取机械大量信息的基础

上，基于机器的故障 机理，从中提取故障特征，进行周密的分析，然后进行诊断。通过设备状态监测与故障诊断技术的推广

< p>
应用，达到预防为主的目的，有效的避免过维修和欠维修，既减少了设备故障又降低了维修费用，大 大提高了作业率，为生

产的顺利进行提供了可靠的保障。

关键词：高速线材厂；设备状态监测；故障诊断技术；齿轮故障；轴承故障

< br>

1

前言

设备状态监测与故障诊断技术是 一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体

或局部正常或异常，早期发现故障 及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。通俗地讲，它

是一种给设备“看病”的技术。 本文联系高线厂预精轧机在实际工况条件下的状态监测，以

及根据采集到的振动故障信号 ，对高线厂预精轧机进行故障诊断，并简单介绍一下设备状态

监测与故障诊断技术在高速 线材轧机上的应用。

2

设备简介

韶钢高速线材厂设计年生产

50

万

t

，轧 制规格

φ

5.0

～

φ

20mm

，成品设计速度

140 m/s

，

保证速度

115m/s

。关键设备从意大利

DANIELI

进口，控 制系统由

TMEIC

设计。全线由

30

架

轧机组成，粗、中、预精轧采用平立交替布置，

BGV

、

TMB

采用

DANIELI45

度角顶交布置。是

目前世 界最先进的高速线材生产线之一。

预精轧机组由

4

架

φ

285

轧机组成，平立交替布置。机架间设有立活套。

4

架

φ

285

轧机

为悬臂辊环式结构，具有如下特点：

（

1

）轧机为轧辊箱插入式机构。机架由轧辊箱和齿轮箱（锥箱）组成；

（

2

）轧辊箱箱体带有法兰 面板，用来与齿轮箱连接。箱体内装有偏心套机构用来调整辊

缝。偏心套内装有油膜轴承 与轧辊轴，在悬臂的轧辊轴端用锥套固定辊环。水平机架与立式

机架共用一种轧辊箱；< /p>

（

3

）水平机 架的齿轮箱内由输入轴和同步齿轮轴组成；

（

4

）

立式机架的齿轮箱内的传动系统比水平机架多了一对螺旋伞齿轮，用来改变传、

动方向和调整速比，其余部分与水平机架相同；

（

5

）辊缝的调节是旋转一根带左、右丝扣和螺母的丝杆，使两组 偏心套相对旋转，两轧

辊轴的间距随偏心套的旋转相对轧线对称移动而改变辊缝，并保持 原有轧线及导卫的位置不

变；

（

6

）辊环通过锥套连接在悬臂的轧辊轴上，用专用的换辊工具更换辊 环；

（

7

） 全部齿轮均为硬齿面磨削齿轮，齿面修形，辊箱齿轮精度

5

级 ，螺伞齿轮为格里森

齿型，精度

5

级。 齿轮、齿轮轴、螺伞齿轮均为渗碳钢

(20CrNi2Mo)

。

（

8

）轧机 滚动轴承及油膜轴承全部采用进口轴承（摩根专用轴承）

。

< /p>

预精轧机立式机架锥箱结构如图

1

所示< /p>

,

轴Ⅰ、轴Ⅱ是通过

1

< br>、

2

两螺旋伞齿轮传动，轴

Ⅱ、

轴Ⅲ是通过

3

、

4

两斜齿轮传动。

三条轴分别由不同型号的滚动轴承支撑

（如图

1

中①～

⑥ ）

。锥箱内各齿轮轴承参数见表

1

、表

2

。

表

1

预精轧机

< p>
16#

锥箱齿轮齿数

齿轮序号

齿数

1

35

2

53

3

33

4

33

3

状态监测

如图

2

、

3

所示，

2006

年

5

月

30

日和

6

月

13

日测得的频谱分析图是

16

＃ 立式轧机分别

在转速为

610rpm

和

666rpm

的转速下测得的，两图有明显的差异。虽然两副频 谱中显示的振

动幅值都

表

2

预精轧机

16#

锥箱轴承参数

轴承序号

1

2

3

4

5

6

滚动体数

Z

18

20

18

12

11

10

节径

D

（″）

6.4961

6.5679

6.4961

3.7402

3.4449

2.2638

滚动体 直径

d

（″）

0.8661

0.8125

0.88238

0.8268

0.8437

0.5

接触角α

0

29

0

0

40

30

4

⑤

Ⅲ

Ⅱ

④

3

1

⑥

图

1

预精轧立式机架锥箱结构

2

③

②

①

Ⅰ

没有进入

IS O3495

旋转机械的振动烈度标准危险区域，但两次测得的结果一次基波振动

副值逐渐增加

,

且两图中二、

< br>三、

四、

五次谐波都有明显的突起。

证明锥箱内运转情况逐渐劣

化，存在设备隐患。由于传感器安装位置上的差异，机械 振动烈度未超出

ISO3495

标准并不

能说明设备是正常的。因此状态监测需要每天进行记录，并要求将监测到的结果与历史记录

比对，从中找出变化趋势，才能判断出真实的设备状态。

Lin

4

3

2

1

0

下边频

上边频

啮合频率

基频

2

倍频

3

倍频

4

倍频

5

倍频

mm/sec

Peak

Mag

0 500 1000 1500 2000

Hz Lin

图

2

劣化前期频谱分析

Lin

4

3

2

1

0

啮合频率

基频

2

倍频

3

倍频

4

倍频

5

倍频

mm/sec

RMS

Mag

下边频

上边频

0 500 1000 1500 2000

Hz Lin

图

3

劣化中频谱分析

4

故障诊断

高速线材轧机具有运转速度 高、载荷变化频繁、所轧制轧件温度低的特点，设备的主要

故障是主传动设备的轴承、齿 轮失效故障，占了总设备故障时间的

50%

以上。传动设备的故

障诊断，要通过在线监测，在获取机械大量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提 取

故障特征，进行周密的分析，才能进行诊断。

4.1

齿轮故障诊断

由啮合刚度的周期变化形成的振动信号

X

（

t

）无论齿轮处于正常或异常状态下，这一振

动 成分总是存在的。只是两种状态下振动的水平是有差异的。当齿轮的制造与安装误差、剥

落、裂纹等故障产生时，齿轮的啮合刚度降低，从而产生更为强烈的振动。这样，测得的振

动信号

X

（

t

）畸变加剧，在频谱图上，啮合频率处的谱值会增加得更大。同时，这些故障会

直接成 为振动的激励源，使齿轮振动信号中含有轴的回转频率及其倍频，而故障齿轮的振动

信号 往往表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制，调制频率即为齿轮轴的回转频率

f

r

＝

n/60

。在 频谱图上形成以啮合频率为中心、两个等间隔分布的边频带。由于调频和调幅

的共同作用 ，最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群，

边频带反映 故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化表示了故障的程

度。

由此可见，在已知齿轮齿数及转速的情况下测取齿轮的振动信号，并 做频谱分析，判断啮合频率及高

次谐波频率处的谱幅是否异常，边频谱幅是否异常，即可 诊断齿轮有无故障。

4.1.1

齿轮常见故障

齿轮本身的故障有以下几种：

一是造 误差：偏心，周节误差和齿形误差；二是装配不良：不同轴，不对中，齿轮副的

轴线不平 行；三是齿轮的损伤：断裂、磨料磨损、胶合撕伤、疲劳剥落等。

4.1.2

齿轮的啮合频率和固有频率

啮合频率 ：

f

z

＝

n< /p>

1

/60

×

Z< /p>

1

＝

n

2

/60

×

Z

2

（

1

）

式中，

n

1

、

n

2

为传动齿轮、被动齿轮的转速（

rpm

）

；

Z

1

、

Z

2< /p>

为传动齿轮、被动齿轮的齿

数。

1

1

K

k

（

2

）

固有频率：

f

＝

m

2

2

?

m

式中，

m

为齿轮副的等效质量；

K

为齿轮副的等效弹簧常数（等效刚度）

。< /p>

齿轮在啮合过程中产生的振动，为齿轮承受冲击载荷时发生的自 由振动，无论在正常和

异常状态下都有固有频率产生。

4.1.3

频谱分析

根据锥箱齿轮的齿数，

按

（

1

）

式可计算出

16#

轧机锥箱内各级齿轮的啮合频率

（见表

3

）

。

表

3

预 精轧机

16#

锥箱内各级齿轮啮合频率

输入轴转速

n

（

rpm

）

610

666

Ⅰ－Ⅱ轴啮合频率（

Hz

）

355.63

388.27

Ⅱ－Ⅲ 啮合频率（

Hz

）

221.43

241.76