张敬东
（山西省国际招标有限公司，山西 太原 030012）
摘 要：热连轧机的主要作用是通过各种减速机，将电能转化为机械能，完成将厚钢板轧制成薄钢板的任务。振动信号包含着各种丰富的信息，利用振动进行设备状态监测是最有效的手段。文章介绍了热连轧机振动监测技术在钢铁行业的应用现状、存在的问题及发展方向。
关键词：钢铁；热连轧机；滚动轴承；振动监测；能量转化；故障诊断
热连轧机的主要作用是通过各种减速机，将电能转化为机械能，完成将厚钢板轧制成薄钢板的任务，运动部件主要是传动轴、齿轮和滚动轴承。目前对于热连轧机振动而言，主要监测对象集中于各种减速机的齿轮箱和滚动轴承。齿轮发生故障的机理主要有齿面磨损、齿面胶合和划痕、齿面接触疲劳和断齿、弯曲疲劳和断齿等，滚动轴承发生故障的机理主要有磨损、疲劳、胶合和断裂等。
1 齿轮及滚动轴承故障机理和故障的诊断
1）齿轮的故障机理及故障诊断
齿轮故障机理主要有：
1．齿面磨损的机理通常是所谓的磨料磨损。当润滑油不足或油质不清洁，在齿轮的工作面之间夹入金属微粒、金属氧化物或其它磨料时，将引起齿面发生磨料磨损，使齿廓显著改变，侧隙加大，以至由于齿厚过度减薄导致断齿。
2．齿面胶合和划痕。对于重载和高速的齿轮传动，齿面工作区温度很高，如润滑条件不好，齿面间油膜破裂，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，形成垂直于节线的划痕和胶合。一般来说，新齿轮未经跑合时常在局部产生这种现象，使齿面擦伤。另一方面，润滑油粘度过低，运行温度过高，齿面上单位面积载荷过大，相对滑动速度过高，以及接触面积过小等，也会使油膜易于破裂而造成齿面划痕。
3．齿面接触疲劳和断齿。齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。这两种力的作用结果使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力。当这种剪应力超过齿轮材料的剪切疲劳极限时表面将产生疲劳裂纹。裂纹扩展，最终会使齿面金属小块剥落，在齿面上形成小坑，称为点蚀。当点蚀扩大，连成一片时，形成齿面上金属块剥落。它一般发生在轮齿根部靠近节圆处。此外，材质不均或局部擦伤，也易在某一齿面上首先出现接触疲劳，产生剥落。
4．弯曲疲劳和断齿。轮齿承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用。当这种周期性应力超过齿轮材料的弯曲疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展。当剩余部分无法承受外载荷时，就会发生断齿。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均也可引起断齿。齿轮异常还可分为局部故障和分布故障，前者集中表现于某个或几个齿上，如剥落和断齿等，后者分布在齿轮的各个齿上，如磨损和点蚀等。
一对啮合中心齿轮，可以看作是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统，根据其力学模型可写出其振动方程。齿轮的振动属于自激振动，即使在“理想”情况下齿轮也存在振动；齿轮振动主要来源于两个部分，第一部分与齿轮的误差和故障无关，称为常规啮合振动。第二部分取决于齿轮的综合刚度和故障函数，由这一部分可以比较好地解释齿轮信号中边频的存在以及他们和故障的关系。在齿轮的振动中，周向振动（即扭转振动）是主要的。齿轮噪声来源于齿轮的振动，薄齿轮的噪声主要受齿轮本体振动的影响，而厚齿轮的噪声则主要受齿轮啮合频率成分的影响。齿轮的振动属于自激振动。
齿轮啮合刚度的周期性变化是由以下两个原因：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一轮齿的刚度发生了变化；二是参加啮合的齿数在变化。无论齿轮处于正常还是故障状态，齿轮的啮合频率成分是始终存在的，但在不同的状态下振动的量级大小是有差异的，因此，根据啮合频率分量进行故障诊断是可行的。但是，另一方面齿轮的振动信号又是十分复杂的，故障对振动信号的影响也是多方面的，其中包括传动误差的影响，调制现象的存在等。
开展齿轮故障诊断的困难在于其振动信号在传递中所经历的环节比较多，包括齿轮、轴、轴承、轴承座等，因而高频信号成分（20kHz 以上）在传递过程中基本上都损失掉了。正是由于这一原因，齿轮故障诊断往往需要借助更精细的信号分析手段，以达到提高信噪比以便能有效提取故障特征的目的。
2）滚动轴承故障机理及故障诊断
滚动轴承的故障机理包括：（1）磨损。磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式，是轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于机械原因引起的表面磨损。（2）疲劳。表现为滚动体或滚道表面剥落或脱皮。造成剥落的主要原因是疲劳应力，有时是由于润滑不良或强迫安装。（3）腐蚀。第一种是润滑剂水分或湿气的化学腐蚀；第二种是轴承表面有较大的电流通过使表面产生点蚀，或由于小电流和微振作用下形成的腐蚀，属电腐蚀；第三种是微振腐蚀，由于轴承套圈在座孔中或轴颈上有微小的相对运动使表面产生的红色或黑色的锈斑。（4）压痕和胶合。压痕是由于装配不当，或者是由于过载和撞击造成的表面局部凹陷。胶合发生在滑动接触的两个表面，表现为一个表面的金属粘附到另一个表面上的现象。在润滑不良，高速重载的情况下，由于摩擦发热，轴承零件可能在极短的时间内达到很高的温度，从而导致表面烧伤及损坏。
根据振动的起因，滚动轴承的振动可分为三种形式：轴承结构因素引起的振动，如滚动体通过时的振动，内、外圈的固有振动及轴承的弹性振动等；轴承制造因素引起的振动，如轴承零件的圆度、波纹度、伤痕、缺陷及保持架引起的振动等；使用条件引起的振动，如润滑剂、载荷、转速、安装不当及配合引起的振动。
在轴旋转时，滚动体通过径向载荷方向的位置，使轴的中心上下移动，即产生周期性的振动，这种振动称为滚动体的通过振动。根据径向滚动轴承的运动关系模型建立方程，依据几何学条件，求得几个旋转频率和通过频率，包括内圈旋转频率fr、保持架旋转频率fc、滚动体自转频率fb、保持架通过内圈频率fi 等参数，振动的频谱特征是诊断振动故障的主要依据，当轴承零件有故障时，几种通过频率便会在振动信号中出现。
2 齿轮及滚动轴承故障的界定和诊断标准
1）齿轮和滚动轴承故障的界定
齿轮和滚动轴承的失效很难有一个统一的标准，通常情况下取如下建议值。
齿轮失效的界定应当考虑到齿轮的强度、运动精度和维修经济性，具体标准如下：（1）齿长磨损不应超过原齿长的30%；（2）齿厚磨损，最大限度不应超过0.4mm；（3）因剥落、点蚀等，齿轮啮合面积应不低于工作面积的2/3；（4）齿轮啮合间隙：使用极限为0.60 ～ 0.90mm。
滚动轴承失效的界定应当考虑到轴承的寿命、工作性能和维修经济性，具体标准如下：（1）径向间隙许用极限：0.3mm；（2）滚道内不允许有明显的凹坑、剥落、伤痕、卡滞现象。
2）齿轮和滚动轴承故障的诊断标准
1．绝对判断标准。（1）齿轮故障的判断标准。对于1kHz以下振动，速度的峰值在0.45cm/s 以下为良好，对于1kHz 以上振动，加速度的峰值在0.9g 以下为良好。速度的峰值在0.9cm/s 和加速度的峰值在1.8g 以上为危险状态。（2）滚动轴承故障的判断标准。由于滚动轴承的振动是一个复杂的物理现象，牵涉的因素很多，如传感器安装位置、轴承类型、轴径大小、转速高低、故障性质和测量系统特性等，难以建立故障定量判断标准，除了可以借鉴旋转机械振动标准外，主要依靠相对判断标准。滚动轴承常规振动水平明显低于齿轮振动，并且一般要小一个数量级。但是，当滚动轴承出现比较严重的故障时，有时表现为轴承特征频率成分和齿轮振动成分的相互交叉调制，出现和频以及差频成分。对于包含多个齿轮和轴承故障的振动信号，需要通过频率细化和小波变换等技术，将齿轮与滚动轴承的故障频率区分开，以免误诊断。
2．相对判断标准。对同一部位（ 同一测点、同一方向和同一工况）进行定期测定，将正常情况的值定为初始值（或正常值），将实测值与正常值进行比较，根据倍数来判断故障。在齿轮和滚动轴承的故障分析中，由于故障的离散性较大，较多使用以时间轴为基准的对比分析。通常考虑1000Hz 以内的频率分量增加2 倍，1000Hz 以上的频率分量增加3 倍作为状态恶化的警告值。1000Hz 以内的频率分量增加4 倍，1000Hz 以上的频率分量增加6 倍作为状态恶化的危险值。
3．类比判断标准。有数台机型、规格相同的设备时，在相同条件下进行测定，经过相互比较作出判断，称为类比判断。一般，当低频（ 1000Hz 以内）振幅大于其它大多数正常设备的1 倍以上，高频（ 1000Hz 以上）的振幅大于2 倍以上时，设备可能出现异常。当低频振幅大于2 倍以上，高频振幅大于4 倍以上时，应考虑立即停机。
众所周知，振动分析在大型旋转机械故障诊断领域取得了极大成功，因为旋转机械故障机理研究比较清楚，故障特征比较典型，如不平衡表现为一倍频较大，不对中表现为二倍频较大，碰摩表现为低频较大，松动表现为高频较大等，不同故障的特征差异较大，不容易混淆，易于区别。从振动频谱来看，故障的特征频谱通常是转速的整倍数或分倍数，因此需要进行整周期采样，一般通过FFT 即可得到比较准确的故障特征频率。此外，有大量的现场故障案例，故障的重复性较多，具有丰富的诊断经验。
轧钢机械主要由齿轮和滚动轴承构成，由于受到齿轮齿数和轴承滚动体个数的影响，故障的特征频率通常不再是转速的倍数关系，而且差别不明显。同时，由于受到条件限制，测量振动的传感器一般安装在与振动源较远的壳体上，信号传递途径复杂，影响因素多，受干扰大，故障特征不明显，同时信号分析过程比较复杂，并且缺少典型案例和故障诊断经验，给轧钢机械的故障诊断带来较大的困难。因此，对轧钢机械进行故障诊断，除了如一般机械常规的波形和频谱分析外，还需要进行某些特征数据的计算分析以及频率细化技术、倒频谱、包络谱和小波变换等。
参考文献
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