作　者：張敬東

　　摘　要（yào）：熱連軋機的主（zhǔ）要作用（yòng）是通過各種減速機，將電能轉化為機械能，完成（chéng）將厚鋼板軋製成薄鋼板的任務。振動信號包含著各種豐富（fù）的信息，利用振動進行設備狀態監測是Z有效的手段。文章介（jiè）紹了熱連軋機振動監測技術（shù）在鋼鐵行業的應用現（xiàn）狀、存在（zài）的問題及發展方向。
　　關鍵詞：鋼鐵；熱連軋（zhá）機；滾動軸承；振動監測；能量轉化；故障診斷
　　熱連軋機的主要作用是通過各種減速機，將電能轉化為機械能，完成將厚鋼板軋製成薄鋼板的任務，運動部件主要是傳動軸、齒輪和滾動（dòng）軸承。目前對於熱連軋機振動而言，主要監測對象集中於（yú）各種減速機的齒輪箱和滾動軸承。齒輪發生（shēng）故障的機（jī）理主要有齒麵磨損、齒麵（miàn）膠合和劃痕、齒麵接觸疲勞和斷齒、彎曲疲（pí）勞和斷齒等（děng），滾動軸承發生故障的機理主要有磨損、疲勞、膠合和斷裂等。
　　一、齒輪及滾動軸承故障機理和故障的診斷
　　(一)齒輪（lún）的故障（zhàng）機理及故障診斷
　　齒輪故（gù）障機理主（zhǔ）要有：
　　1.齒麵磨損（sǔn）的機理通常是（shì）所謂的磨料磨（mó）損。當潤滑油不足或油質不清潔，在齒輪的工作麵之間夾入金屬微粒、金屬（shǔ）氧化物或其它磨料時，將引起齒麵發生磨料磨損，使齒廓顯著（zhe）改變，側隙加大，以至由於齒厚過度減薄導致斷齒。
　　2.齒麵膠合和劃痕。對於重載和高速的齒輪（lún）傳動，齒麵工作（zuò）區溫度很高，如潤滑條件不好，齒麵間油膜破裂，一個（gè）齒麵的金屬會熔焊在與之齧合的另一個齒麵上，形成垂直於節線的劃痕（hén）和（hé）膠合。一般（bān）來說，新齒輪未經跑合時常（cháng）在局部產生這種（zhǒng）現象，使（shǐ）齒麵擦（cā）傷。另一方麵，潤滑油粘度過低，運行溫（wēn）度過高，齒麵上單位麵積載荷過大，相（xiàng）對滑動速度過高，以及接觸麵積過小等，也會使油膜易於破裂而造成（chéng）齒麵劃痕。
　　3.齒（chǐ）麵接觸疲勞（láo）和斷（duàn）齒。齒輪在齧合過程中，既（jì）有相對滾動，又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦（cā）力（lì）在節點兩側的方向相反，從而產生脈動載荷。這兩種力的（de）作用結果使齒輪（lún）表麵層（céng）深處產生（shēng）脈動循環變化的剪應力。當這種剪應力（lì）超過齒輪材料的剪（jiǎn）切疲（pí）勞極限時表麵將產生疲勞裂紋。裂紋擴展，Z終會使（shǐ）齒麵金屬小塊剝落，在齒（chǐ）麵上形成小坑，稱為點蝕（shí）。當點蝕（shí）擴大，連成一片時，形成齒麵上金屬塊剝（bāo）落。它一般發生在輪齒根部靠近節圓處（chù）。此外，材質不均（jun1）或局部擦傷，也易在某一（yī）齒麵上首先出現接觸疲勞，產生剝落。
　　4.彎（wān）曲疲勞和斷齒。輪齒承受載（zǎi）荷，如（rú）同懸臂梁，其根部受到脈衝循環的（de）彎曲應力作用。當（dāng）這種周期性應力超過（guò）齒輪材料的彎曲疲勞極（jí）限時，會在根部產生裂紋，並逐（zhú）步擴展。當（dāng）剩餘部（bù）分無（wú）法承受外載荷時，就會發（fā）生斷齒。齒輪由於工（gōng）作中嚴重（chóng）的衝（chōng）擊、偏載以及材質不均也（yě）可引（yǐn）起斷齒。齒輪異常還可分為局部故（gù）障和分布故障，前者集中表現於某個或（huò）幾個齒上，如剝落和斷齒等，後者分布在齒輪的各（gè）個齒上，如（rú）磨損和點蝕等（děng）。
　　一對齧合中心齒輪，可以看作是一個（gè）具有質量、彈簧和阻尼的振動（dòng）係統，根據其力學模型可寫出其振（zhèn）動方程。齒輪的振動屬於自激振動，即使在（zài）“理（lǐ）想”情況下齒輪也存在振動;齒輪振（zhèn）動主要來源於兩個部分，部分與（yǔ）齒（chǐ）輪的誤差和故障無（wú）關，稱為常規齧合振動（dòng）。第二（èr）部分取決於齒輪的綜合剛度（dù）和故障函（hán）數，由這一部分（fèn）可（kě）以比較（jiào）好地（dì）解（jiě）釋齒輪信號中邊頻的存在以及他們和故障的關係。在齒輪的（de）振動中，周向振動(即扭轉振動)是主要的。齒輪噪聲（shēng）來源於（yú）齒輪的振動，薄齒輪的噪聲（shēng）主（zhǔ）要受齒輪本體振動的影響，而厚齒輪的噪聲則主要受齒（chǐ）輪齧合頻（pín）率成分的影響。齒輪的振動（dòng）屬於（yú）自激振動。齒輪齧合（hé）剛度的周期性變化是由以下兩個原因：一是隨著齧合點位置（zhì）的變化（huà），參加齧合的單一輪齒的剛度發生了變化;二是參加齧合的齒數在變化。無（wú）論齒輪處於正常（cháng）還是故障（zhàng）狀態，齒輪的齧合頻率成分是始終存在的，但在不同的狀態下振動的量（liàng）級（jí）大小是有差異的，因此，根據齧合頻率分量進行故障診斷是可行的。但是（shì），另（lìng）一方（fāng）麵齒輪的振動信號又是十分複雜（zá）的，故障對振動（dòng）信號（hào）的影響也是多（duō）方麵的，其中包括傳動誤差的影響，調（diào）製現象的存在等。
　　開展齒輪故障診斷的困難在於其振動信號在傳遞（dì）中所（suǒ）經曆的環節比較多，包括（kuò）齒輪、軸、軸承、軸承座等，因而高（gāo）頻信號成（chéng）分(20kHz以上)在傳遞過程中基本上（shàng）都損失掉了。正（zhèng）是由於這一原因，齒輪故障診（zhěn）斷往往需要借助更精細的信號分析手段，以達到提（tí）高信噪比以便能有效提取故障特征的目（mù）的。
　　(二)滾動軸承故障機理及故障診斷
　　滾動軸承的故障機理包括：(1)磨損。磨（mó）損是滾（gǔn）動（dòng）軸承Z常見的一種失效（xiào）形式，是軸承滾道、滾動體、保持架、座孔或安（ān）裝軸（zhóu）承的軸頸，由於機械原因引起的表麵磨損。(2)疲勞（láo）。表現為滾動體或滾道表麵剝落或脫皮。造成剝（bāo）落的主要（yào）原因是疲勞應力（lì），有時是由於潤滑不良或強迫安裝。(3)腐蝕。種是潤滑劑水分（fèn）或濕氣的化學腐蝕;第（dì）二種是軸承表（biǎo）麵有較大的電流通過使表麵產生點蝕，或由於小電流（liú）和微（wēi）振作用下形成的腐蝕，屬電腐（fǔ）蝕（shí）;第三種是微振腐（fǔ）蝕，由於軸承套（tào）圈在座孔中或（huò）軸頸上有微（wēi）小的（de）相對運動使表麵產生（shēng）的紅色或黑色的鏽（xiù）斑。(4)壓痕和膠合。壓痕是由於裝配不當，或者（zhě）是由（yóu）於（yú）過載和撞擊造（zào）成（chéng）的表麵局部凹陷。膠合發（fā）生在滑動接觸的兩個表麵，表現為一個表麵的（de）金屬粘附到另（lìng）一個表麵上的現象。在潤滑（huá）不良，高速重載（zǎi）的情（qíng）況（kuàng）下，由（yóu）於摩擦發熱，軸承零件可能在極短的（de）時間內達到很高的溫度，從而導致表麵燒傷及損壞。
　　根（gēn）據振（zhèn）動的起因，滾動軸承的振動可分為三種形式：軸承結（jié）構（gòu）因素（sù）引起的振動，如滾動體通過時的振動，內、外圈的固有振動及軸承的彈性振動等;軸承（chéng）製造（zào）因素引起的振動，如軸承零件（jiàn）的圓度、波紋度、傷痕、缺陷及保持架引起的振動等;使用條（tiáo）件引起的振（zhèn）動，如潤滑劑、載荷、轉速、安裝不當及配合引起的（de）振動。
　　在（zài）軸旋轉時，滾動體通過徑向載荷方向（xiàng）的位置，使軸的中心上下移動，即產生周期（qī）性的振動，這種振動稱為滾動體的通過振動。根（gēn）據徑向滾動軸承的運動關係模型建立方程，依據幾何學條（tiáo）件，求得幾個旋轉頻率（lǜ）和通過頻率，包括內圈旋（xuán）轉頻（pín）率fr、保持架（jià）旋轉頻率fc、滾動體自（zì）轉（zhuǎn）頻率fb、保持架通過內圈頻率fi等（děng）參數，振動的（de）頻譜特征是診斷振（zhèn）動故障的主要依據，當軸承零件有故障時（shí），幾種通過頻率便會在振（zhèn）動（dòng）信號中出現。
　　二、齒輪（lún）及滾動軸承故障的界定和診斷標準
　　(一)齒（chǐ）輪和滾動軸承故障的界定
　　齒輪和滾動軸承的失效很難有一個統一的標準，通常情況下取如下建議值（zhí）。
　　齒輪失（shī）效的界定應當考（kǎo）慮到齒輪的強度、運動（dòng）精度和（hé）維修經濟性，具（jù）體標準如下：(1)齒長磨損不應超過原（yuán）齒長的30%；(2)齒厚磨損，Z大限度（dù）不應超過0.4mm；(3)因剝落、點蝕等，齒輪（lún）齧合（hé）麵積應不低於工作（zuò）麵（miàn）積的2/3；(4)齒輪齧合間（jiān）隙：使用極限（xiàn）為0.60～0.90mm。
　　滾動軸承失效的界定（dìng）應當考慮到軸（zhóu）承的壽命、工作性（xìng）能和維修經濟性，具體標準如（rú）下：(1)徑（jìng）向間隙許用極限：0.3mm；(2)滾道內不允許有明（míng）顯的凹坑、剝落、傷痕、卡滯現（xiàn）象。
　　(二)齒輪和滾動軸承故障的診斷標準 
　　1.判斷標準。(1)齒輪故障的判斷標準（zhǔn）。對於1kHz 以下振動，速度的峰值在0.45cm/s以下為良好，對於1kHz以上振動（dòng），加速度的（de）峰值在0.9g以下為良好。速度的峰值在0.9cm/s和加速（sù）度的峰值在1.8g以上為危險狀態。(2)滾動軸承故障的判斷標準。由於滾動軸（zhóu）承（chéng）的振動是一個複雜的物理現（xiàn）象，牽涉的因（yīn）素很多，如傳感器安裝位置、軸承類型、軸徑大小、轉速高低、故障性質和測量係統特性等，難以建立（lì）故障定量（liàng）判斷標準（zhǔn），除了（le）可以借鑒旋轉（zhuǎn）機械振動標準外（wài），主要依靠相對判斷標準。滾動軸承常規振（zhèn）動水平明顯低於齒輪振動（dòng），並且一般要小一個數量級。但是（shì），當滾動軸承出現比較嚴重的故（gù）障（zhàng）時，有時表現為軸承特征頻率成分和齒輪振動成（chéng）分的相互交叉調（diào）製，出現和頻以及（jí）差頻（pín）成分。對於（yú）包含多個齒輪和軸承（chéng）故（gù）障的振動信號，需要通過頻率細化和小波變換等技術，將齒輪與滾動軸承的（de）故障頻率區分開，以免誤（wù）診斷。
　　2.相對判斷標準。對同一部位(同（tóng）一測點（diǎn）、同一方向和同（tóng）一工況)進行（háng）定（dìng）期測定，將正常情況的值定為初始值(或正常值)，將實測值（zhí）與正常值進行比較，根據（jù）倍數來（lái）判斷故障。在齒輪和滾動軸承的故障（zhàng）分析中，由（yóu）於故障的離散性較大，較（jiào）多使（shǐ）用以時間軸為基準的對比（bǐ）分析。通常考慮1000Hz以內的頻率分量增加2倍，1000Hz以上的頻率分量增加3倍作為狀態惡化的警告值。1000Hz以內的頻率分量增加4倍，1000Hz以上的頻率分量增加6倍（bèi）作為狀態（tài）惡化的危險值。
　　3.類比判斷標準。有數台（tái）機型、規格相同的設備時，在相同條件下進行（háng）測定，經過相（xiàng）互比較作（zuò）出判斷（duàn），稱為類比判斷。一般，當低頻(1000Hz以內)振幅大於其它（tā）大多數正常設備（bèi）的1倍以（yǐ）上，高（gāo）頻(1000Hz以上)的振（zhèn）幅大於2倍以上時，設備可能出現異常。當低頻振幅大於2倍以（yǐ）上，高頻振幅大於4倍以上時，應考慮立即停（tíng）機。
　　眾所（suǒ）周知，振動分析在大型旋（xuán）轉機械故障診斷領域取（qǔ）得了極大成功，因為旋轉機械故障機理（lǐ）研究比較清楚，故障特（tè）征比較典型，如不平（píng）衡表現為一（yī）倍頻較大，不對中表現為二倍頻（pín）較大，碰摩表現為低頻較大，鬆動表現為（wéi）高頻較大等，不同故障的特征差異較大，不容易混淆，易於區別。從振動頻（pín）譜來（lái）看，故障的特征頻譜通常是轉速的整倍數或分倍數，因此需要進行整周期采樣，一般通過FFT即可（kě）得到比較（jiào）準確的故障特征頻率。此外，有大量的現場故障案例，故障的重複性較多，具（jù）有豐（fēng）富的診斷經驗。
　　軋鋼機械主要由齒輪和滾動軸承構成，由於受到齒輪（lún）齒數和軸承滾動體個數的影響（xiǎng），故障的特征頻率通常不再是轉速（sù）的倍數關係（xì），而且（qiě）差別不（bú）明顯。同時，由於受到（dào）條（tiáo）件限製（zhì），測量（liàng）振動（dòng）的傳感（gǎn）器（qì）一（yī）般安裝在與（yǔ）振動源較遠的殼體上，信號傳遞途徑複（fù）雜，影響因素多，受幹擾大，故障特征不明顯，同時信號分（fèn）析過程比較複雜，並且缺少典型案例和故障診斷經驗，給軋鋼機械的故障診斷帶（dài）來較大的困難。因此，對軋鋼機械進行故障診斷，除了如一（yī）般機械常規的波形和頻譜分析外，還（hái）需要進行某些特征數據的計（jì）算分析以及頻率細化（huà）技（jì）術、倒頻譜（pǔ）、包絡譜和小波變換等（děng）。
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