探討卷取爐芯軸振動(dòng)檢測及故障處理

孫林雨

卷取爐芯軸是卷取爐的核心部件，受到多種因素影響，卷取爐芯軸在高負(fù)荷連續(xù)作業(yè)的狀態(tài)下容易出現(xiàn)故障。現(xiàn)階段最常見的卷取爐故障是由于卷取爐芯軸振動(dòng)異常引起的。有學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)潤滑油進(jìn)水會(huì)造成卷取爐芯軸電機(jī)負(fù)荷側(cè)軸承沖擊脈沖值異常上升，潤滑油效果下降，連續(xù)的磨損造成軸承外圈出現(xiàn)輕微劣化損傷造成卷取爐芯軸振動(dòng)，通過連續(xù)更換兩次機(jī)油即可解決問題。

潤滑油進(jìn)水只是造成卷取爐芯軸振動(dòng)異常的其中一種原因，由于卷取爐芯軸自身參數(shù)出現(xiàn)問題同樣會(huì)造成振動(dòng)異常。本次研究在已有結(jié)論的基礎(chǔ)上對卷取爐芯軸進(jìn)行全面檢查，并未發(fā)現(xiàn)卷取爐芯軸存在潤滑油進(jìn)水的情況，由此排除因?yàn)榫砣t芯軸潤滑效果下降造成的卷取爐芯軸振動(dòng)異常。對此本次研究中選擇使用振型疊加法對卷取爐芯軸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，隨后結(jié)合卷取爐芯軸的屬性對其故障進(jìn)行分析，最后在分析的基礎(chǔ)上制定解決措施并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析。

1 振型疊加算法

卷取爐在生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的不同會(huì)導(dǎo)致卷取爐芯軸出現(xiàn)自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)兩種主要形式。因?yàn)榫砣t振動(dòng)模態(tài)存在正交性，所以不同的模態(tài)之間不會(huì)出現(xiàn)能量交換，倘若卷取爐卷取爐芯軸出現(xiàn)某影響因素，卷取爐外界擾動(dòng)和卷取爐芯軸扭振十分接近的固有頻率會(huì)造成卷取爐芯軸扭振共振的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)其他頻率振動(dòng)。

可以初步確定卷取爐在受到異常因素影響的情況下，50HZ工頻內(nèi)模態(tài)疊加造成卷取爐芯軸扭振，進(jìn)一步對卷取爐芯軸50HZ工頻內(nèi)各模態(tài)振動(dòng)狀況進(jìn)行監(jiān)測，以此作為計(jì)算卷取爐芯軸扭振動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)。

在卷取爐的頭、尾位置安裝測速齒輪與角速度傳感器，本次研究中使用脈沖時(shí)序法對測速齒輪得出的相對角位移進(jìn)行計(jì)算，再借助帶通濾波分解卷取爐扭角，結(jié)合不同固有頻率下卷取爐芯軸振型對卷取爐芯軸振動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算。

2 卷取爐卷取爐芯軸振動(dòng)故障分析

2.1 峭度準(zhǔn)則

若卷取爐芯軸信號與正態(tài)分布極為接近時(shí)，峭度K=3；若過多的沖擊因素存在于信號x當(dāng)中，此時(shí)峭度k值會(huì)顯著增加。卷取爐芯軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，軸振動(dòng)信號幅值分布與正態(tài)分布相接近，此時(shí)峭度K=3。

卷取爐芯軸局部出現(xiàn)故障導(dǎo)致振動(dòng)異常的情況下，此時(shí)異常振動(dòng)信號顯著偏離正常的正態(tài)分布，并且峭度k值越大證明振動(dòng)信號當(dāng)中存在的沖擊因素越多，并且在卷取爐芯軸異常振動(dòng)信號被包含于沖擊成分多的幅值調(diào)制信號內(nèi)部。

因?yàn)闆_擊因素導(dǎo)致卷取爐芯軸異常振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致卷取爐芯軸以及卷取爐其他部件出現(xiàn)頻率不同的振動(dòng)，故障導(dǎo)致卷取爐芯軸不同頻段振動(dòng)因素可通過本征模函數(shù)（IMF）看出，峭度最大的IMF表示其中存在的沖擊因素最為顯著，此時(shí)可以提取相應(yīng)的故障信息。

2.2 芯軸故障模擬試驗(yàn)

當(dāng)卷取爐芯軸受到?jīng)_擊載荷影響的情況下，此時(shí)會(huì)對芯軸外圈、內(nèi)圈造成不同程度的損傷，鑒于此選擇在芯軸試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行芯軸內(nèi)圈、外圈局部損傷模擬試驗(yàn)，檢測完成后使用峭度準(zhǔn)則提取芯軸異常振動(dòng)的故障因素。

通過切割溝槽的方式模擬芯軸外圈、內(nèi)圈因?yàn)楫惓Ｕ駝?dòng)造成的局部損傷，試驗(yàn)過程中選擇的信號采樣頻率為12800HZ，在試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)恒定轉(zhuǎn)速1400r/min的情況下，對芯軸故障特征頻率進(jìn)行計(jì)算。

2.3 芯軸內(nèi)圈、外圈異常振動(dòng)

當(dāng)芯軸內(nèi)部發(fā)生異常振動(dòng)情況下，此時(shí)芯軸在旋轉(zhuǎn)過程中每當(dāng)路過故障位置均會(huì)因?yàn)闆_擊因素導(dǎo)致芯軸異常振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致卷取爐整體出現(xiàn)異常振動(dòng)。因?yàn)樾据S內(nèi)圈在旋轉(zhuǎn)過程中，局部損傷部位會(huì)不斷出現(xiàn)變化，進(jìn)而導(dǎo)致故障位置承載大小會(huì)存在變化。

經(jīng)過不斷分析表明，芯軸損傷位置旋轉(zhuǎn)到12點(diǎn)鐘方向時(shí)承載力最小，相應(yīng)的當(dāng)芯軸損傷為止旋轉(zhuǎn)到6點(diǎn)鐘方向時(shí)承載力最大，進(jìn)而引發(fā)的沖擊振動(dòng)幅值也最大，芯軸在不斷旋轉(zhuǎn)的過程中，其承載力會(huì)呈現(xiàn)“最大-最小-最大-最小”的周期性現(xiàn)象，這種周期性現(xiàn)象導(dǎo)致芯軸振動(dòng)信號出現(xiàn)了將轉(zhuǎn)速作為調(diào)節(jié)機(jī)制的幅值調(diào)制。

由此可見對于芯軸的內(nèi)圈故障異常振動(dòng)信號當(dāng)中包含了芯軸部件高頻固有振動(dòng)信號、內(nèi)圈故障特征頻率信號、轉(zhuǎn)頻信號。

相應(yīng)的芯軸外圈故障與內(nèi)圈故障信號完全不同，這是因?yàn)樾据S外圈的故障點(diǎn)位置并不會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，相應(yīng)的承載力大小也不會(huì)發(fā)生變化，即便在故障狀況下芯軸外圈的沖擊振動(dòng)幅度也幾乎一致，鑒于此芯軸外圈故障信號只有高頻固有振動(dòng)信號與外圈故障特征頻率信號調(diào)制。

3 處理方法

3.1 卷取爐芯軸異常分析

3.1.1 相位延遲

結(jié)合卷取爐頭部或尾部模態(tài)扭角對振動(dòng)異常截面扭矩、應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的對于帶通濾波器的相位存在較高的要求，相比數(shù)字濾波器，帶通濾波器對于不同的中心頻率所對應(yīng)的延遲程度也有所不同。如果卷取爐芯軸出現(xiàn)兩階、多階異常情況時(shí)，往往使用帶通濾波器處理模態(tài)扭角會(huì)獲得更大的相位誤差，致使模態(tài)疊加法計(jì)算得到的應(yīng)力缺少說服力。鑒于此次研究中使用零相位帶通濾波器，因?yàn)榱阆辔粠V波器不會(huì)出現(xiàn)相位差與相位移，借助對軸系扭振扭矩和應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2 去除邊界效應(yīng)

通過零相位帶通濾波處理后的正弦波形與原始波形的對比可知在進(jìn)行濾波處理以后獲得的波形在前1s內(nèi)與原始波形對比存在顯著偏差，1s后的波形符合預(yù)期效果。

卷取爐芯軸異常振動(dòng)情況下疲勞壽命損耗會(huì)實(shí)時(shí)增加，為了最大限度上避免分析延遲，在分析過程中決定不使用持續(xù)狀態(tài)下的扭角，改用隨機(jī)扭角進(jìn)行濾波分析，同時(shí)隨機(jī)采集扭角的時(shí)間在異常振動(dòng)開始后的3s～4s，同時(shí)明確實(shí)時(shí)帶通濾波時(shí)間內(nèi)芯軸疲勞壽命損耗，以此來最大限度上確保扭振監(jiān)測分析、實(shí)時(shí)性。

帶通濾波的邊界失真在芯軸異常振動(dòng)3s以后非常明顯，因此將“移動(dòng)窗口”的方式作為剔除失真區(qū)的有效方法。

“移動(dòng)窗口”將一段固定時(shí)間作為數(shù)據(jù)提取窗口，每一次信息提取都需要攜帶上一次提取的信息數(shù)據(jù)，且需要確保長度與失真區(qū)長度一致。帶通濾波完成后將因?yàn)檫吔缡д嫘?yīng)對數(shù)據(jù)造成影響的部分剔除，其他部分為邊界消除導(dǎo)致的帶通濾波結(jié)果。

3.1.3 半頻/倍頻成分干擾處理

卷取爐芯軸第一階扭振固有頻率通常在10HZ～20HZ之間，二、三階扭振固有頻率通常超過20HZ。個(gè)別卷取爐第一階固有頻率通常為二、三階扭振固有頻率的1/2。

這種情況下半頻、倍頻關(guān)系兩階模態(tài)扭角在帶通濾波過程中會(huì)相互干擾，進(jìn)而造成芯軸扭應(yīng)力計(jì)算出現(xiàn)誤差。各階模態(tài)扭角進(jìn)行帶通濾波以前，需要事先借助高通、低通濾波器過濾半頻、倍頻模態(tài)，以此來防止各階固有頻率出現(xiàn)干擾。

3.2 振動(dòng)檢測

設(shè)計(jì)一種卷取爐芯軸振動(dòng)檢測裝置，使用XMC4400作為主控制器芯片，XMC4400控制器芯片是一種擁有32位Cortex-M4內(nèi)核的高性能ARM芯片，XMC4400擁有硬DSP核與浮點(diǎn)計(jì)算能力，同時(shí)支持低速UART總線、高速的SPI總線，XMC4400的主頻高達(dá)120MHz，足以支持卷取爐芯軸振動(dòng)檢測的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

本次設(shè)計(jì)的卷取爐芯軸振動(dòng)檢測裝置的總體功能：

振動(dòng)檢測元件使用單軸模擬型加速度計(jì)，卷取爐芯軸實(shí)際運(yùn)作過程中往往當(dāng)檢測到振動(dòng)模擬信號以后再經(jīng)過放大濾波處理，將信號擴(kuò)大至A/D高精度轉(zhuǎn)換。為了卷取爐芯軸振動(dòng)檢測裝置具有更強(qiáng)的抗干擾能力，需要最大限度上避免振動(dòng)檢測裝置受到這些干擾因素的影響，為了使測得信號不受共模干擾影響，振動(dòng)檢測裝置在設(shè)計(jì)過程中可以將電路用單端信號轉(zhuǎn)換為雙端信號，同時(shí)在獲得雙端信號后可以選擇將信號與可雙端輸入高精度A/D轉(zhuǎn)換器相接，以此實(shí)現(xiàn)雙端振動(dòng)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終借助SPI協(xié)議接口將芯軸的振動(dòng)信息數(shù)字量傳輸至主控制器XMC4500進(jìn)行處理。

得到電力變壓器振動(dòng)信息后，為后續(xù)分析數(shù)據(jù)創(chuàng)造便利條件，還要經(jīng)電力變壓器振動(dòng)檢測裝置的主控制器XMC4500對信號做一系列的處理，包括軟件濾波、去噪等工作。以上工作完成后XMC4500即開始檢測，隨后顯示處理結(jié)果出來，處理后的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)器中，也可以經(jīng)過無線模塊實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)相接。此外振動(dòng)檢測裝置配備了USB數(shù)據(jù)接口，在USB接口的作用下，電路可以實(shí)現(xiàn)將檢測數(shù)據(jù)直接向電腦傳送，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)深入分析、處理。無線、有線均可以發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會(huì)暫時(shí)存儲(chǔ)在大容量存儲(chǔ)器中并由規(guī)定功能鍵盤陣列實(shí)現(xiàn)。

3.3 故障解決措施

3.3.1 及時(shí)更芯軸材料

通常情況下卷取爐芯軸使用的高硬度鋼制造，卷取爐高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，伴隨速度的增加熱量也會(huì)逐漸的增加，芯軸材料容易發(fā)生形變進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生，如果不能及時(shí)解決異常振動(dòng)，最終會(huì)造成整個(gè)設(shè)備由于振動(dòng)發(fā)生故障。

為進(jìn)一步減少設(shè)備振動(dòng)故障，可以使用合金材料代替鋼材料，相比之下合金材料的硬度、密度、奈磨損度均比鋼材料更強(qiáng)，可以有效降低振動(dòng)故障發(fā)生。

3.3.2 及時(shí)清洗結(jié)疤

卷取爐芯軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下難免會(huì)出現(xiàn)摩擦過熱的現(xiàn)象，卷取爐芯軸出現(xiàn)結(jié)疤現(xiàn)象，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)子平衡也會(huì)受到負(fù)面影響，振動(dòng)故障也會(huì)愈演愈烈，導(dǎo)致卷取爐實(shí)際運(yùn)作狀態(tài)受到負(fù)面影響。鑒于卷取爐復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，可以選擇使用高壓霧化等一系列相關(guān)措施，形成微小水分子，微小水分子可以進(jìn)入到芯軸當(dāng)中進(jìn)行適當(dāng)降溫，降低結(jié)疤概率。

3.3.3 波紋管換熱器代替冷卻管

使用波紋管換熱器替代冷卻管，可以確保空氣、水量在卷取爐內(nèi)部維持合適的比例，不僅可以降低結(jié)疤概率，還可以適當(dāng)增加設(shè)備換熱效果。對波紋管換熱器進(jìn)行合理使用，可以有效應(yīng)對天氣突換引發(fā)的一系列情況，此時(shí)如果芯軸溫度不能夠及時(shí)被降低機(jī)會(huì)造成卷取爐芯軸工作效率與工作面積受到負(fù)面影響。

使用波紋管換熱器替代冷卻管可以有效降低外界因素造成的一系列負(fù)面影響，設(shè)備自身膨脹造成振動(dòng)故障的現(xiàn)象會(huì)被降低，有效延長了卷取爐芯軸的使用壽命。

3.3.4 提升工作人員專業(yè)能力水平

為了最大限度上降低了卷取爐芯軸故障，對專業(yè)技術(shù)工作人員的基本能力存在較高水品的要求，高水平專業(yè)團(tuán)隊(duì)可以支持卷取爐芯軸檢修維護(hù)工作，最大限度上確保卷取爐芯軸日常工作的順利運(yùn)行。

在挑選卷取爐芯軸設(shè)備檢修人員時(shí)候需要重點(diǎn)選取專業(yè)素質(zhì)過硬、技術(shù)水平高的人員或者態(tài)度認(rèn)真、有上進(jìn)心的人。這是因?yàn)楦咚綑z修人員往往掌握著高水平的專業(yè)知識(shí)技能，并且非常熟悉卷取爐，因此可以有效開展卷取爐芯軸故障檢修工作，在發(fā)生故障時(shí)可以憑著豐富的專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間對設(shè)備故障起因進(jìn)行判斷，高效排除故障，最大限度上降低因?yàn)樵O(shè)備故障對卷取爐的損害，降低生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。企業(yè)自身也要培養(yǎng)專業(yè)高水平人員正確使用設(shè)備，同時(shí)開展設(shè)備定期檢修，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備損壞、異常需要第一時(shí)間更換、維護(hù)，保證設(shè)備這個(gè)廠運(yùn)行并提升效率。

3.4 平衡轉(zhuǎn)子

卷取爐芯軸振動(dòng)激勵(lì)頻率如果小于基本頻率，此時(shí)就會(huì)發(fā)生對應(yīng)的低頻振動(dòng)，常見表現(xiàn)形式為裂紋轉(zhuǎn)子、氣流激振、半速潤動(dòng)等。其中氣流激振出現(xiàn)的頻率最高，氣流激振屬于一種自激振動(dòng)形式，通常情況下會(huì)力的作用都是突然發(fā)生的，此時(shí)卷取爐芯軸的運(yùn)動(dòng)力得到強(qiáng)化，同時(shí)突然出現(xiàn)的力會(huì)使得卷取爐芯軸運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加。因此在解決卷取爐芯軸過程中需要重視氣流激振問題。

對于卷取爐芯軸低頻振動(dòng)的主要解決措施是最大限度上保證轉(zhuǎn)子的平衡，通過增加系統(tǒng)運(yùn)行阻尼、降低氣流激振力、減小轉(zhuǎn)子氣流激蕩等方式解決問題。增大阻尼的方式為更換可傾瓦軸承，使得大葉頂間隙增加，軸向間隙縮小，小氣流激振現(xiàn)象就會(huì)被有效控制。

導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡的因素多種多樣，因此需要結(jié)合轉(zhuǎn)子不平衡的實(shí)際情況，采取針對性防治措施。轉(zhuǎn)子幾何形狀中心偏離旋轉(zhuǎn)幾何體軸線導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子不平衡問題，此時(shí)采用動(dòng)平衡方案對重心進(jìn)行調(diào)整，或者選擇對局部位置重量進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中心平衡，振型曲線校正是一種常用方法。

卷取爐芯軸存在零部件、旋轉(zhuǎn)軸銜接不緊密的情況，這種情況被歸納為零部件相互配合問題，此時(shí)可以選擇零部件規(guī)格調(diào)整解決問題，如果存在內(nèi)孔較大的情況，卷取爐芯軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏心。

4 結(jié)論

本次研究中對卷取爐芯軸異常振動(dòng)及其故障進(jìn)行分析。

（1）首先借助振型疊加算法最終計(jì)算芯軸的第j段出現(xiàn)異常情況是下相應(yīng)的截面實(shí)時(shí)扭應(yīng)力，且理想工頻為50HZ的情況下。計(jì)算數(shù)據(jù)由安裝在卷取爐頭部、尾部位置的測速齒輪與角速度傳感器，借助脈沖時(shí)序法獲得相應(yīng)的對角位移以及帶通濾波分解的卷取爐扭角，最終借助胡克定律得出芯軸第j段異常截面實(shí)時(shí)扭應(yīng)力。

（2）獲得數(shù)據(jù)以后對開始結(jié)合數(shù)據(jù)借助峭度準(zhǔn)則對卷取爐芯軸振動(dòng)故障進(jìn)行分析，芯軸振動(dòng)正常情況下峭度K=3且軸振動(dòng)信號幅值分布與正態(tài)分布相接近，如果因?yàn)楫惓Ｒ蛩貙?dǎo)致過度的沖擊因素出現(xiàn)在卷取爐芯軸振動(dòng)信號當(dāng)中，峭度將大于3，并且峭度增加幅度與信號存在的沖擊因素量為正比。可借助本征模函數(shù)對卷取爐芯軸不同頻段振動(dòng)因素進(jìn)行分析，本征模函數(shù)對應(yīng)的最大峭度為最大值。

為了進(jìn)一步明確卷取爐芯軸異常振動(dòng)情況，使用芯軸故障模擬試驗(yàn)臺(tái)對芯軸外圈、內(nèi)圈造成不同程度的損傷進(jìn)行分析，并通過峭度提取相應(yīng)數(shù)值。試驗(yàn)表明卷取爐芯軸由于內(nèi)圈、外圈故障性質(zhì)不同，導(dǎo)致芯軸振動(dòng)異常呈現(xiàn)“最大-最小-最大-最小”周期性變化。

（3）分析完成后明確處理方法并結(jié)合案例進(jìn)行分析。對卷取爐芯軸振動(dòng)異常數(shù)據(jù)借助扭矩剛度算式，對卷取爐頭部或尾部模態(tài)扭角對振動(dòng)異常截面扭矩、應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。從實(shí)際角度出發(fā)，最終本次研究中選擇使用零相位帶通濾波器確保不會(huì)出現(xiàn)相位差與相位移并得到相應(yīng)的軸系扭振扭矩和應(yīng)力響應(yīng)；為了確保數(shù)據(jù)真實(shí)性，本次研究中使用隨機(jī)采集的扭角數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析確保扭振監(jiān)測分析、實(shí)時(shí)性。借助“移動(dòng)窗口”提取特定時(shí)段內(nèi)信息數(shù)據(jù)，并且將因?yàn)檫吔缡д嫘?yīng)對數(shù)據(jù)造成影響的內(nèi)容剔除；卷取爐芯軸第一階扭振固有頻率通常在10HZ～20HZ，此時(shí)下半頻、倍頻關(guān)系兩階模態(tài)扭角會(huì)通過帶通濾波相互干擾，在對各階模態(tài)扭角進(jìn)行帶通濾波以前，需要預(yù)先通過高通、低通濾波器過濾半頻、倍頻模態(tài)，避免對各階固有頻率造成干擾。