頻譜分析在高速線材精軋機中的應用

于維棟 張海波 張洪星 李 瑩

（日照鋼鐵有限公司 山東日照 276800）

1 前言

日照鋼鐵有限公司高速線材廠生產線共4條，全部由唐山鋼鐵設計院設計并總包建設而成，4條生產線的主體設備除1＃線、2＃線雙模塊和3臺打包機是進口設備外，其它設備是由國內廠家生產制造，并分別于2006、2007年投產。四條生產線軋機轉速從方坯到成品速度遞增，作為壓力加工設備，精軋機組因其處于生產線末端，其內的軸承在承受較大壓力外同時被施加很高的轉速，加之維護水平不夠，在定期更換軋機需停機之外，還有因軸承意外損壞導致的非計劃維修停機，為正常生產帶來了不利影響，所以對軋機軸承運行狀態的在線監測有至關重要的作用。

圖1 滾動軸承振動的時域信號

2 滾動軸承的振動機理與特征頻率

引起滾動軸承振動的因素很多，有與部件有關的振動，也有與制造質量有關的振動，還有與軸承裝配以及工作狀態有關的振動。如圖1所示，通過對軸承振動的剖析，找出激勵特點，并通過不同的檢測分析方法，從振動信號中，獲取振源的可靠信息，用以進行滾動軸承的故障診斷。

當軸承運轉時，滾動體便在內外圈之間滾動。軸承的滾動表面雖加工得非常平滑，但從微觀來看，仍高低不平，特別是材料表面產生疲勞斑剝時，高低不平的情況更為嚴重。滾動體在這些凹凸面上轉動，則產生交變的激振力。所產生的振動，既是隨機的，又含有滾動體的傳輸振動，其主要頻率成分為滾動軸承的特征頻率。滾動軸承的特征頻率（即接觸激發的基頻），完全可以根據軸承元件之間滾動接觸的速度關系建立的方程求得。計算的特征頻率值往往十分接近測量數值，所以在診斷前總是先算出這些值，作為診斷的依據。

圖2為角接觸球軸承示意圖。

滾動軸承缺陷頻率包括內圈缺陷頻率（f內）、外圈缺陷頻率（f外）、滾動體缺陷頻率（f滾）、保持架缺陷頻率（f架），其計算公式如下：

圖2 角接觸球軸承示意圖

其中 Nb—軸承滾子數；

na—軸的轉速；

Bd—滾子直徑；

Pd—滾子分度圓直徑；

A—接觸角度數。

在故障診斷的實踐中，內圈缺陷頻率f內、外圈缺陷頻率f外對表面缺陷有較高的敏感度，是重要的參照指標。

3 高速線材廠滾動軸承的信號分析方法

軸承故障信號的拾取實際上是傳感器及安裝部位和感應頻率段的選擇。傳感器的安裝部位往往選擇軸承座部位，并按信號傳動的方向選擇垂直、水平、軸向布置。如圖3所示是滾動軸承在故障試驗中得到的頻譜圖，軸承的故障信號分布在3個頻段，即圖中陰影部分。

圖3 滾動軸承的振動頻譜

1）低頻段：在8kHz以下，滾動軸承中與結構和運動關系相聯系的故障信號在這個頻率段，少數高速滾動軸承的信號頻段能延展到B點以外。因為軸的故障信號、齒輪的故障信號也在這個頻段，因而這也是高線精軋機軸承頻譜分析的主要頻段。

2）高頻段：位于Ⅱ區，這個頻段的信號是軸承故障所激發的軸承自振頻率的振動。

3）超高頻段：位于Ⅲ區，它們是軸承內微裂紋擴張所產生的聲發射超聲波信號。

高線精軋機軸承頻譜分析采用SKF公司開發的加速度傳感器，圖4為日鋼高線精軋機組示意圖，精軋機電機通過增速箱加速，帶動十臺錐齒輪箱轉動，圖5為精軋機錐齒輪箱傳感器安裝位置示意圖，圖中圓形所示，通過安裝在每臺齒輪箱輸入輸出兩端的傳感器采集振動數據，將振動數據通過分析軟件生成包絡趨勢圖、包絡頻譜圖和速度趨勢圖、速度頻譜圖，再將不同型號軸承的特征頻率計算出，添加到頻譜圖中，從而分析軸承的運行狀態是否正常。

圖4 精軋機組示意圖

圖5 錐齒輪箱傳感器安裝示意圖（其中A、B、C、D、E都是軸承）

4 頻譜分析的應用實例

根據高速線材廠精軋機實際情況，擬用加速度包絡值和速度值來作為表征軋機振動強度的兩種指標，其中加速度包絡值的單位是gE，速度值的單位是mm／s，然后設置合適的報警值，對振動強度超過報警值的設備進行分析研究。

4.1 2＃高線28＃錐齒輪箱、20＃錐齒輪箱軸承磨損實例

如圖6、圖7所示，分別為2＃線28＃錐箱的包絡趨勢圖和包絡頻譜圖，由包絡趨勢圖可以看出從2013年12月中旬錐箱的振動值出現了大幅增加，振動值一直高于設置的紅色報警值12gE，圖8中標注的數字是型號為162250Y（SMS）軸承的外圈缺陷頻率，所以推測是錐齒輪箱軸承出現了磨損。

圖62 8＃錐箱包絡趨勢圖

圖7 未標注軸承的包絡頻譜圖

圖8 標注軸承缺陷頻率的包絡頻譜圖

如圖9、圖10所示，分別為20＃錐齒輪箱的包絡趨勢圖和包絡頻譜圖，由包絡趨勢圖可知，該錐齒輪箱從2014年1月20日開始振動值大幅增加，超過紅色報警值12gE，圖10中標注的數字是型號為162250Y（SMS）軸承的內圈缺陷頻率，所以推測是錐齒輪箱縱軸的軸承出現磨損。

分析出錐箱異常原因后，及時安排檢修更換錐箱，線下對錐箱進行拆檢，如圖11所示，拆下軸承后發現軸承出現了嚴重的磨損和點蝕。

4.2 3＃高線精軋機增速箱軸承磨損實例

從11月初點檢人員發現3＃高線精軋機增速箱振動值偏高，聲音異常，如圖12、圖13、圖14分別是增速箱輸入端監測到的振動趨勢圖、振動包絡頻譜圖和速度頻譜圖，由振動趨勢圖可以發現增速箱的包絡值達到25gE以上，大幅超出了紅色報警值12gE，而包絡譜和速度譜中同時存在9.86階的諧波頻率，通過對增速箱內部軸承參數的計算，得出此諧波頻率為增速箱1622 50B（SMS）的外圈缺陷頻率。

圖9 20＃錐箱包絡趨勢圖

圖10 標注軸承的包絡頻譜圖

分析出增速箱162250B（SMS）軸承磨損之后，安排檢修對增速箱軸承進行在線更換，如圖15所示，可以發現軸承外圈發生了嚴重磨損。

圖11 軸承拆檢圖

5 結論

1）利用頻譜分析對高速線材廠軋機運行狀況進行在線監測，效果顯著：

圖12 增速箱的包絡趨勢圖

圖13 增速箱的包絡頻譜圖

圖14 增速箱的速度頻譜圖

圖15 軸承拆檢圖

（1）由軸承不良運行損壞導致的直接費用為每臺精軋機2萬元，四條線一年按7臺算，一年可減少損失14萬元；頻譜分析對高線精軋機的狀態進行在線監測，一方面可以提前準確的獲知設備的運行狀況，防患于未然，另一方面可以確定異常精軋機的問題所在，及時處理，大大降低了非計劃維修停機時間，減少了經濟損失，為正常生產提供了保障。

［1］徐敏.振動信號分析與機構故障診斷［M］.北京：機械工業出版社，1991.

［2］芮執元.基于倒譜理論的滾動軸承故障檢測［D］.蘭州：蘭州理工大學，2007：35-37.

［3］韓慶大.設備狀態監測與故障診斷技術［M］.沈陽：東北大學設備診斷工程中心，2005.