軋機減速機雙列軸承保持架故障診斷研究

邢增金

（青島特殊鋼鐵有限公司裝備部，山東青島 266400）

0 引言

某鋼廠軋線減速機曾發現多起軸承保持架故障造成的熱停事故，約占軸承故障的30%，累計造成經濟損失幾百萬元，因此及時發現軸承保持架故障，杜絕熱停事故發生，是當前軋機設備故障診斷面臨的重要課題之一。利用振動頻譜分析技術，結合保持架故障特點，制定可行的故障診斷策略，有效的診斷出軋機減速機軸承保持架故障，杜絕此類故障造成的熱停事故，保障公司生產正常運行。

1 軋機減速機運行特點

圖1 為某高線廠11#減速機的轉矩波形圖，從圖中可知減速機運行狀態有兩個，分別為軋機不過鋼情況下空載狀態和過鋼情況下負載狀態，負載狀態下減速機轉矩保持在2000 N·m，而空載時轉矩不到180 N·m，兩者相差10 倍以上；而通常情況下軸承受力越大，軸承缺陷引起的振動越明顯，監測頻譜內軸承故障頻率越突出，又因設備空載時間僅為2～3 s，振動狀態不易監測，所以一般僅監測設備負載狀態下的振動波形。

圖1 某高線11#減速機的轉矩波形

2 振動頻譜分析技術

振動頻譜分析技術是診斷軸承故障最成熟、最準確的方法之一[1]，旨將采集一段時間的設備振動信號，利用傅里葉正逆變換、相關分析、希爾伯特變換等工具對整段振動信號進行數學變換，得到幅值譜、功率譜、倒頻譜和包絡解調譜，通過分析譜圖中出現的軸承故障頻率及幅值，以確定軸承故障部位和程度。

3 保持架故障特點及診斷策略制定

經過長期監測發現，當軸承發生保持架故障時，設備負載狀態下振動變化不大，加速度無論低頻和高頻均很難發現保持架故障，雖然空載狀態下測得的速度波形同樣無明顯變化，但采集的高頻加速度振動波形存在明顯沖擊，且沖擊能量峰值明顯高于負載。根據以上特點，更改原來僅監測負載狀態下的設備振動數據策略，延長采集時間，確保采集到每個軸承的空載下高頻加速度振動數據，再利用數據截取方法，結合采樣定理，將空載下的振動數據截取下來并進行頻譜分析。

4 故障診斷案例

2019 年9 月22 日現場監測過程中發現某高線11#軋機減速機設備有異音，通過采集空載數據發現加速度波形存在明顯沖擊，且沖擊峰值能量明顯比負載時大，采集和分析過程如下。

診斷發現，無論空載還是負載下，速度波形和頻譜均無明顯異常。圖2 為檢修前空載和負載加速度波形，圖3 為檢修后空載和負載加速度波形，由圖2 可知，空載波形存在明顯沖擊，且沖擊峰值能量明顯比負載時大。對比圖4a）檢修前負載下加速度幅值譜和圖4b）檢修前空載下加速度幅值譜可知，檢修前空載下加速度幅值譜整個頻段存在明顯底噪能量，且存在大量的譜峰群，而負載時頻譜無異常，底噪能量占比很低。對比圖4c）檢修前負載下加速度包絡譜和圖4d）檢修前空載下加速度包絡譜可知，負載狀態下測得的波形高頻（大于10 000 Hz）包絡解調譜存在幅值很低的7.471 Hz 保持架頻率及諧波，但空載時加速度包絡譜存在明顯的4.248 Hz 頻率及諧波，與保持架故障頻率7.471 Hz 小，綜合分析確定高速軸驅動端軸承存在保持架故障，且斷裂的可能性大，應及時更換該軸承。

圖2 檢修前空載和負載加速度波形

圖3 檢修后空載和負載加速度波形

圖5 為檢修后拆下的高速軸驅動端軸承保持架圖片，圖5 中圈出部分可看出該處保持架已斷裂。對比檢修前后振動速度和加速度幅值變化情況，發現振動速度幅值無論負載和空載均變化不大（負載保持在2 mm/s 左右，空載保持架0.3 mm/s 左右），振動加速度幅值負載下也同樣如此（檢修前后均為5 m/s2左右），但其空載下幅值下降明顯（檢修前6.93 m/s2，檢修后0.44 m/s2）。圖3 為檢修后空載和負載加速度波形圖，與圖2 對比發現，檢修后空載下振動加速度波峰明顯小于負載，且無論空載和負載均無明顯的沖擊間隔，波形恢復正常。

圖5 高速軸驅動端軸承保持架

5 原因分析

某高線11#減速機如圖6 所示。通過案例發現，當軋機軸承保持架發生故障時，空載和負載時的振動波形和頻譜差別很大，原因是當圖6 中框出的保持架發生局部斷裂后，軸承滾動體依然在滾道內正常運轉，又因故障軸承右端軸承完好，對軸依然起到支撐作用，所以設備內各零部件工作游隙變化不大，因此設備振動無明顯變化；負載狀態下，故障軸承受到向右很大的軸向力，使該軸承各零部件貼合緊密，此時保持架斷裂、變形等缺陷與內圈或外圈一處碰撞后，經過一個公轉周期還會和原來的位置發生碰撞，但因保持架碰撞的力度相對其他零件的碰撞非常微弱，造成負載下保持架故障頻率幅值很低，很難發現；但空載時，圖6 中各軸均處于“卸力”狀態，框出的軸承受向右的軸向力相對負載小很多，工作游隙變大，軸承各零件處于“寬松”的工作空間，造成保持架與其他軸承零件碰撞概率大大降低，因此測得頻率低于保持架故障頻率，而軸的軸向竄動量增大，使保持架與其他零件碰撞力度變大，因此造成空載加速度沖擊波峰大于負載。

圖6 某高線11#減速機剖面圖局部

6 結語

2020 年公司診斷人員利用該診斷策略共提前發現軋機減速機軸承保持架故障3 起，故障準確率達100%，有效避免了該類故障造成熱停事故，節約了公司生產和維修成本，提高了設備使用壽命。